1764年，學校讓瓦特修理壹臺紐蓋特蒸汽機。在修理過程中，瓦特熟悉了蒸汽機的結構和原理，發現了這種蒸汽機的兩大缺點:活塞動作不連續且緩慢；蒸汽利用率低，浪費原材料。後來，瓦特開始思考改進的方法。直到1765年春天，在壹次散步中，瓦特想到，既然紐科門蒸汽機熱效率低是由汽缸內的蒸汽凝結造成的，為什麽不讓蒸汽在汽缸外凝結呢？瓦特想出了使用獨立冷凝器的最初想法。
產生這個想法後，瓦特在同年設計了壹臺帶有獨立冷凝器的蒸汽機。根據設計，冷凝器和氣缸之間有壹個調節閥，這樣它們可以連接和分離。這樣作功後的蒸汽就可以引入缸外的冷凝器，在缸內產生同樣的真空，從而避免了缸在冷卻和加熱過程中的熱量消耗。根據瓦特的理論，這種新型蒸汽機的熱效率將是紐科門蒸汽機的三倍。從理論上講，瓦特的帶分離器冷凝器的蒸汽機明顯優於紐科門的蒸汽機。但是，把理論的東西變成實際的東西，把圖紙上的蒸汽機變成真正的蒸汽機，還有很長的路要走。瓦特辛辛苦苦造了幾臺蒸汽機，效果都不如紐科門的蒸汽機，甚至到處漏風，無法啟動。盡管昂貴的實驗使他負債累累，但他在困難面前沒有退縮，繼續進行實驗。當布萊克知道瓦特的目標和困難處境後，他把瓦特介紹給了壹個非常富有的朋友——化學技師羅巴克。那時，羅巴克是壹個非常富有的企業家。他在蘇格蘭的卡隆開辦了第壹家大型煉鐵廠。盡管那時羅巴克已年近50，但他仍然對科技新發明充滿熱情。他對當時才三十多歲的瓦特的新裝置非常贊賞，當即與瓦特簽約，贊助瓦特試制新蒸汽機。
從1766開始，在三年多的時間裏，瓦特克服了材料和工藝上的困難，終於在1769做出了第壹臺樣機。同年，瓦特因發明冷凝器而獲得了他在革新紐科門蒸汽機過程中的第壹項專利。雖然第壹臺帶冷凝器的蒸汽機試制成功，但與紐科門蒸汽機相比，除了熱效率得到顯著提高外，在作為動力機器帶動其他工作機器的性能方面並沒有實質性的進步。也就是說，瓦特的蒸汽機仍然不能作為真正的動力機。
因為瓦特的蒸汽機還不理想，市場不廣。當瓦特繼續探索的時候，羅巴克自己也瀕臨破產，他把瓦特介紹給了他的朋友、工程師兼企業家博爾頓，這樣瓦特就可以得到贊助繼續他的研發。博爾頓四十多歲時是壹名能幹的工程師和企業家。他對瓦特的創新精神表示贊賞，並願意贊助瓦特。博爾頓經常參加社交活動，他是當時伯明翰著名科學社團“滿月社”的主要成員之壹。這個社團的大部分參與者都是當地的科學家、工程師、學者和科學愛好者。經過博爾頓的介紹，瓦特也加入了滿月社。在滿月社的活動中，瓦特更多地了解了當時人們關註的氣體化學和熱化學，為他後來參與水的化學成分的爭論奠定了基礎。更重要的是，滿月社的活動使瓦特進壹步增長了科學知識，活躍了他的科學思想。
瓦特自與波頓合作以來，在資金、設備、材料等方面都得到了大力支持。瓦特還生產了兩臺帶有獨立冷凝器的蒸汽機，但這兩臺蒸汽機因為沒有顯著的改進而沒有得到社會的重視。這兩臺蒸汽機耗資巨大，以至於博爾頓瀕臨破產，但他仍然慷慨資助瓦特。在他的支持下，瓦特堅持不懈地繼續他的研究。自從1769年試制出帶分離式冷凝器的蒸汽機樣機後，瓦特就看出熱效率低並不是他的蒸汽機的主要缺點，而根本的局限性在於活塞只能做往復直線運動。1781年，瓦特還在參加滿月社的活動。也許在聚會上，成員們提到了當年天文學家赫歇爾發現的天王星和行星圍繞太陽的圓周運動啟發了他。也許是鐘裏齒輪的圓周運動給了他靈感。他想到，通過把活塞的往復直線運動轉變為圓周旋轉運動，可以把動力傳遞給任何工作機器。同年，他又研制出壹套名為“太陽與行星”的齒輪聯動裝置，最終將活塞的往復直線運動轉化為齒輪的旋轉運動。為了增加車軸旋轉軸的慣性，使圓周運動更加均勻，瓦特還在車軸上安裝了壹個火飛輪。由於對傳統機制的這壹偉大創新，瓦特的蒸汽機真正成為了可以驅動壹切的動力機。1781年底，瓦特獲得了發明齒輪拉桿機械聯動裝置的第二項專利。
因為這種蒸汽機裝有車軸和飛輪，所以在將活塞的往復直線運動轉化為車軸的旋轉運動時，蒸汽機消耗了大量的能量。這樣蒸汽機的效率不是很高，功率也不是很大。為了進壹步提高蒸汽機的效率，增加蒸汽機的效率，瓦特在發明了齒輪聯動裝置後，對汽缸本身進行了研究。他發現，雖然他把紐科門蒸汽機的內冷凝改為外冷凝，蒸汽機的熱效率顯著提高，但他的蒸汽機中蒸汽驅動活塞的沖程過程與紐科門蒸汽機並無不同。兩種蒸汽都是單壹運動，從壹端進入，從另壹端出來。他想，如果蒸汽能從兩端進出，就能推動活塞上下運動。那麽，他的效率可以翻倍。在1782中，瓦特根據這壹想法開發了壹種帶有雙向裝置的新圓柱體。由此，瓦特獲得了他的第三項專利。將原來的單缸裝置改造成雙向缸，引入缸內的蒸汽首次由低壓蒸汽變為高壓蒸汽。這是瓦特在改進紐科門蒸汽機過程中的第三次飛躍。通過這三次技術飛躍，紐科門蒸汽機完全演變成了瓦特蒸汽機。
從最初接觸蒸汽技術到瓦特蒸汽機的研制成功，瓦特走過了20多年的艱難歷程。瓦特雖然多次受挫失敗，但仍鍥而不舍，鍥而不舍，最終完成了紐科門蒸汽機的三大革新。蒸汽機已被廣泛應用，並成為改造世界的動力。
1784年，瓦特在用飛輪、齒輪連桿和雙向裝置綜合組裝高壓蒸汽機改造紐科門蒸汽機的過程中獲得了他的第四項專利。1788年，瓦特發明了離心調速器和節流閥；1790年，他發明了汽缸指示器，瓦特完成了蒸汽機發明的全過程。