公元前2世紀，古埃及科學家希羅在《氣學》一書中曾經提到過一種利用蒸汽轉動球體的機械裝置。這恐怕是人類文明史上第一部可以叫作蒸汽動力機械的裝置。然而，在當時的曆史條件下，這種機械是沒有什麼實用價值的，因為古埃及的奴隸主們隻知道一種動力，那就是奴隸。
隨著人類文明的進程，生產規模愈來愈大，對動力的需求便日益成為一個重要課題。赫諾、波塔、高斯、德雷、巴賓、塞維利……這些不同國度的科學家都曾在不同時代，對蒸汽動力做了不同程度的探討與研究，為整個蒸汽動力學奠定了雄厚的基礎。與此同時，實用蒸汽動力機械的研究也步步發展。到18世紀初，英國的鐵匠紐可門改進了塞維利等人設計的蒸汽機，製成了第一部能較大規模將熱能轉變成機械能的實用型蒸汽機，被稱為“紐可門蒸汽機”。這種裝置用於礦井抽水，由於它耗能大、效率低，沒有受到眾多資本家的青睞。
1640年～1688年的英國資產階級革命使英國成為世界上第一個確立資產階級政治統治的國家。英國資產階級充分利用政權發展資本主義關係，使英國首先具備了工業革命的條件。18世紀中葉，在英國絲織業中首先發生了以機器代替手工藝、以資本主義的工廠製度代替資本主義手工場為特點的產業革命。在這次史無前例的革命大潮中，人類的聰明才智得到一次大爆發。紡紗機、織布機、淨棉機、梳棉機、漂白機、整染機等一係列機械設備紛紛出現，成為人類生產工具史上第一個波瀾壯闊的時代。然而，這些機器都是工具機，它們需要功率大、效率高的動力來推動。人力是不能勝任的；利用風力太不穩定，往往無法控製；使用畜力（如馬）費用昂貴，往往還不聽使喚，所以，當時主要使用水力。但是，水力要有足夠的落差，因而工廠必須建築在有急流的鄉間，而不能建築在交通方便的城市；流水不能隨意增加，幹旱或冰凍時期無法開工，受到季節的限製。此外，沿河建廠，地主還會乘機抬高地價。這種種限製，不利於工廠的發展，並且影響到工業資產階級利潤的增長。因此，資本主義工業的發展提出一個亟待解決的重大課題，就是需要發明一種在任何地方都能夠裝置起來並發揮作用的動力機。
瓦特就是在這種時代背景的呼喚下，繼承前人的研究成果，對蒸汽機進行改進，最終研製成高效萬能蒸汽發動機，為資本主義工業的突飛猛進解決了動力問題，使人類進入了“蒸汽時代”。
詹姆士·瓦特1736年1月19日生於蘇格蘭西部克萊德河畔的格林諾克城。這是英國造船業很發達的格拉斯哥城附近的一個小城鎮。瓦特的父親當過建築工人、造船工人、木匠，經過商，擔任過格林諾克鎮的司庫和市政官。他母親出身於蘇格蘭名門望族。瓦特從小愛獨自沉思默想，對周圍的事情總想探個究竟，問個明白。據說，有一次瓦特看到壺裏的水開了，蒸汽把壺蓋衝得噗噗作響，這使他產生了濃厚的興趣。他盯著壺蓋苦思冥想其中的奧秘，直呆了一個多小時。人們說，就是這件事觸發了他對蒸汽機的極大好奇心。正是這種好奇心，驅使他堅持自學，鑽研天文、化學、物理學、解剖學等多種學科。為了能閱讀外國的科學著作，他還自學了拉丁文、希臘文、法文、德文和意大利文。同時，他經常向父親工場裏的工人和技師學習技術，13歲便開始製造機器模型，修理航海儀器，進行化學和電學實驗。這樣，在少年時代，瓦特就獲得了豐富的工藝技術，為後來的創造發明打下了堅實的基礎。
瓦特21歲時，到格拉斯哥大學擔任製造和修理自然科學教學儀器的工作。在大學裏，他一邊工作，一邊以堅韌不拔的毅力自修科學理論。他結識了著名的化學家布萊克和後來成為物理學教授的魯比森，從他們那裏學到了許多科學理論知識。也就是在那個時候，瓦特開始專心地對蒸汽動力機械進行研究，和布萊克、魯比森研究如何改進蒸汽機的問題，並於1761年、1762年進行試驗，但都沒有成功。
1767年的一天，格拉斯哥大學的一台紐可門蒸汽機模型損壞了，學校要瓦特修理。他在修理的過程中，對當時這種最先進的蒸汽機作了深入的研究，找到了紐可門蒸汽機熱效率低的主要原因是耗費蒸汽太多。因為它的活塞回落辦法是把冰水放入汽缸形成真空，利用大氣壓力把活塞推回。這樣，活塞往返一次，汽缸就冷卻一次。所以，每一次蒸汽進入汽缸，都有相當部分用於加熱汽缸壁，減少了能量。怎樣才能使更多的蒸汽發揮作用呢？為了解決這個難題，瓦特苦苦地思索了好長時間，終於找到保持汽缸的溫度不變，同時又可以產生使蒸汽冷凝的辦法。那就是使用隔離的冷器，讓蒸汽冷凝的過程在汽缸外進行。這就是世人據說的“單動式蒸汽機”。他增添了一個與汽缸分開，單獨裝置在上麵的分離冷凝器，並且使用了熱絕緣設備、汽缸套等等，使活塞和汽缸不同冷體接觸。始終保持著與進入汽缸內的蒸汽同樣高的溫度。經過這樣的改進，氣壓機變成了真正的蒸汽機。從那時起，這個創作在其主要方麵已經確定下來了，但是，把這種理論上的設計付諸實際應用，又遇到了重重困難。開始試製出的幾台樣機，其效果反而不如紐可門式蒸汽機，有時甚至開動不起來。瓦特沒有氣餒，一次次總結經驗，不斷改進。1769年，瓦特在有經驗的機械工人的幫助下，創製了可以應用的“單動式蒸汽機”。這架機器噴煙吐火，動如魔王，被稱為“惡魔”。這種蒸汽機耗煤量比紐可門蒸汽機少四分之三，動作也比紐可門蒸汽機迅速、可靠。一些本來因為排水困難要關閉的煤礦，使用瓦特的單動式蒸汽機很快有了起色。然而，這架機器隻是一個未得到充分發展的思想的不完全體現，它還有很多地方需要改進。