瓦特出生在蘇格蘭格拉斯哥附近的格裏諾克。格拉斯哥是英國造船業的中心。瓦特的祖父教數學，他的父親是壹名建築師和造船師，他是壹名司庫和格林諾克市的官員。他熱愛學習，好奇又聰明，從小學就學到了很多機器制造的知識。瓦特上了格林諾克文法學校，因病輟學。在家養病期間，他刻苦自學，閱讀了大量天文、化學、物理方面的書籍。1753年，父親經商破產，瓦特被迫去格拉斯哥學手藝。當時他還不到18歲。兩年後，他調到倫敦壹家鐘表店當學徒。瓦特在這裏學到了許多制造儀器和機器的技能。由於勤學苦練，他很快學會了制作象限儀、指南針、經緯儀等復雜的儀器。
20歲時，瓦特患了嚴重的風濕病，不得不回家休養。當他身體好些的時候，他想在格拉斯哥建立壹個儀器修理行業，但當時仍然有壹個專屬的行會。因為他沒有開始學徒，所以當地的行會不允許他創業。但是上帝不會關上壹扇門，他會打開另壹扇門。經朋友介紹，他在格拉斯哥大學做儀器修理工。在這裏，他遇到了著名的化學家約瑟夫·布萊克教授和他的學生物理學家約翰·羅賓遜。該大學是當時英國為數不多的高等學府之壹，擁有各種儀器設備。在這裏，他如饑似渴地學習科學理論和實踐知識。為了了解國外的科技動態，他學習了法語、意大利語和德語。他和布萊克等科學家壹起改進了雨量計和濕度計。布萊克的潛熱理論對瓦特影響很大，後來被他用在蒸汽機上。
在過去，有壹個流行的故事說，瓦特是在看到爐子上的茶壺燒開，蒸汽炸開了蓋子時受到啟發，發明了蒸汽機。這太簡單化了。事實上，早在瓦特之前，人們就認識到了蒸汽的作用。17世紀，由於資本主義生產關系的迅速發展和對電力需求的日益增加，人們對利用蒸汽動力的探索取得了壹些實際成果。1629年，壹個叫勃朗的意大利人發明了壹種原始的蒸汽輪機裝置。他用蒸汽推動葉輪，帶動彈簧桿。1698年，英國人紮維利做了壹個蒸汽泵，可以用於礦井排水。1705年，蘇格蘭鐵匠紐科門在紮維利發明的基礎上，制造出了第壹臺具有重大實用價值的蒸汽機，稱為氣壓機。當時主要用於礦井排水。1721年後，被英國許多礦山采用，並傳播到歐洲大陸。
65438+20世紀60年代，由於紡紗機的發明和其他領域的技術進步，英國開始了工業革命。壹系列工作機械的發明和應用需要壹種超越自然力的萬能動力機械。這時，由於水輪機、鐘表等機械的發明和使用，人們積累了機械制造、機械傳動和金屬加工的知識。焦炭在冶鐵業的廣泛使用，使鋼鐵冶煉技術有了很大的進步，手工業作坊的發展培養了大量的技術工人，為蒸汽機的發明準備了技術條件。
瓦特努力吸收前人的成果，致力於蒸汽機的發展。在1761年和1762年，他在格拉斯哥大學進行了多次關於蒸汽壓力的實驗，研究蒸汽密度、壓力和溫度之間的關系。1763年冬至1764年冬，負責維修紐科門大氣壓機模型。他反復觀察它的運作，終於找到了效率低下的原因。紐康龍門起重機通過冷凝氣缸內的熱氣產生真空，在大氣壓力的作用下推動與活塞相連的連桿運動，從而發電。氣缸冷卻後需要重新加熱，造成大量熱能浪費。而且氣缸冷凝後，溫度仍然很高，真空度很低，影響機器的效率。於是瓦特集中精力解決了這個關鍵問題。
研究壹種新的蒸汽機既費時又費錢。瓦特很快耗盡了他的財產，並負債累累。他處於猶豫和沮喪之中，幾乎停止了他的研究工作。為了謀生和養家糊口，他被迫成為壹名測量員和工程師，負責繪制喀裏多尼亞運河的路線圖。這時，兩個有遠見的企業家幫助了他。他們是約翰·羅巴克和馬修·博爾頓。1765年，經布萊克介紹，瓦特認識了羅巴克，他剛剛在福斯河右岸的Borrostones開了壹個煤礦，急需壹臺水泵用於礦井排水。羅巴克高度評價了瓦特的研究工作，並願意出資幫助他完成蒸汽機的研制。於是兩人簽訂了合同，羅巴克承諾為瓦特償還65，438+0，000英鎊的債務，並負責提供完成開發並投入工業生產所需的資金。瓦特承諾給羅巴克未來可能獲得的利潤的三分之二作為報酬。羅巴克的支持使瓦特得以繼續開發蒸汽機。
經過壹系列實驗，瓦特發明了與汽缸分離的冷凝器，將汽缸中的蒸汽引入冷凝器進行冷卻。他努力提高汽缸和活塞的加工精度，增強密封性。在紐科門的機器中，蒸汽只是輔助力，實際上是靠大氣壓工作的。瓦特的發明是用蒸汽推動活塞。此外，他還使用潤滑油來提高活塞操作的靈活性，並在氣缸外增加了隔熱層，以保持氣缸處於必要的工作溫度。經過這壹系列的改進，瓦特於1769年制造了第壹臺蒸汽機，並獲得了專利。瓦特蒸汽機的效率遠高於紐科姆常壓壓力機，耗煤量僅為紐科姆常壓壓力機的四分之壹，但效率卻提高了5倍。但是瓦特發明的機器只有壹個氣缸，非常不完善，容易出故障。安裝後不久就放在壹邊了。不久，羅巴克的煤礦因積水停產。1733年，羅巴克宣布破產。禍不單行。瓦特的妻子今年去世了。博爾頓在這個非常困難的時候幫助了他。
伯爾頓是伯明翰北部索霍區的金屬制品手工作坊主，經濟實力雄厚。瓦特幾年前認識他，並在1767參觀了Soho車間。波頓的事業蒸蒸日上，他需要壹臺理想的動力機來裝備他的車間。羅巴克恰好欠博爾頓1200的債務，後者提出只要羅巴克把和瓦特的合夥合同轉讓給他，就免除他的債務。博爾頓和瓦特的合作就這樣開始了。1774年5月，瓦特帶著他的第壹臺蒸汽機搬到了索霍區。他立即著手改進他的發明。不久，第壹臺蒸汽機又能正常運轉了。
瓦特和博爾頓將蒸汽機投入工業生產，同時繼續改進其設計。當時還是投入多，產出少，開發成本高。博爾頓將車間的利潤和出售妻子財產的收入投資於改進蒸汽機。瓦特還受益於其他人改進蒸汽機的發明。例如，約翰·威爾金森在1775年發明的鏜床對提高圓柱體的精度起了很大作用。經過反復實驗，瓦特大大改進了他原來的設計，於1882年發明了復式蒸汽機。以前的單蒸汽機只能做往復運動，和紐科門的機器有很多相似之處。主要用於提水，應用範圍有限。復式蒸汽機利用蒸汽做功，從兩側交替推動活塞，利用偏心輪和曲柄將直線運動變為旋轉運動。他還發明了離心調速器，自動控制運行速度。經過這些改進，瓦特的蒸汽機不僅提高了效率，而且成為了壹種萬能的萬能動力機，可以成為各種機器的動力。索霍工廠首先裝備了壹種新型蒸汽機，用來驅動鼓風機、軋鋼機和蒸汽錘。這種新機器很快得到推廣。它被用於面粉廠的面粉研磨、鋼鐵廠的鼓風、啤酒廠的麥芽研磨、陶瓷廠的燧石粉碎和糖廠的甘蔗粉碎。1785年，諾丁漢的舍爾棉紡廠安裝了蒸汽機，從此成為紡織業的主要推動力。蒸汽機在水陸交通中的應用，導致了汽輪機和火車的發明，交通運輸發生了深刻的革命，進入了汽船和鐵路時代。
瓦特的發明受到專利保護，瓦特-博爾頓公司成為當時唯壹供應蒸汽機的制造商，蒸汽機成為該公司的主要產品。1775-1880期間，公司生產蒸汽機173臺，其中紡織行業93臺，采礦行業52臺，冶金行業28臺。在19世紀開始之前，英國已經生產了1200-1330臺蒸汽機，每臺平均功率為15-16馬力。這種新型動力機器很快就傳播到歐洲大陸、北美和其他地區。
蒸汽機制造初期主要是手工業生產模式，生產速度慢，機器的質量由工匠的技能水平決定，可靠性差，成本高，遠遠不能滿足社會的需求。為了大規模生產蒸汽機，需要用於鍛造和金屬切削的工作機械，這促進了機械制造業的發展。
瓦特的蒸汽機為以工業革命為契機的現代工廠工業提供了高效可靠的動力機器。它使工業擺脫了對水力、風力等自然力的依賴，使生產不再受氣候變化的影響，工廠可以建在原料供應、市場、交通條件好的地區，從而促進了城市的發展。由於鄰近相關工業部門，市政設施完備，產供銷銜接，提高了工業投資效益，促進了各行各業的全面發展。因此，蒸汽機的發明具有劃時代的意義。它加速了英國工業革命的完成和世界其他地區工業革命的進程，實現了生產力發展的前所未有的飛躍。因此，19世紀被稱為“蒸汽機時代”。
瓦特不僅發明了蒸汽機，還發明了比重計和信件復印機。他首次提出用螺旋槳代替槳輪推進船舶，並首次采用“馬力”作為計算功率的單位。
瓦特的傑出成就受到國內外的高度評價和贊揚。被著名的伯明翰新月會接納為會員，1785當選為皇家學會會員，1806被授予格拉斯哥大學法學博士學位，1814被法國科學院接納為外籍會員。瓦特於1819年逝世，葬於威斯敏斯特教堂。後人為了紀念他，用他的名字“瓦特”作為工作的計量單位，瓦特的名字永遠被載入世界著名發明家的史冊。