薩弗裏的提水機依靠真空的吸力汲水，汲水深度不能超過6米。為了從幾十米深的礦井汲水，須將提水機裝在礦井深處，用較高的蒸汽壓力才能將水壓到地麵上，這在當時無疑是困難而又危險的。紐科門及其助手卡利在1705年發明了大氣式蒸汽機，用以驅動獨立的提水泵，被稱為紐科門大氣式蒸汽機。扇形平衡杠杆左側的配重將活塞提起，同時蒸汽進入活塞下部的汽缸中。當活塞上升到汽缸頂部時，關閉進汽閥，向汽缸中噴入冷水使蒸汽冷凝，形成真空，活塞上麵的大氣壓力將活塞下壓，提起杠杆左側的提水泵拉杆，使裝在礦井深處的提水泵將水汲出。因汽缸直徑大於提水泵的缸徑，雖然汽缸活塞上的壓力隻等於大氣壓，也可以汲出數十米深處的水。這種蒸汽機先在英國，後來在歐洲大陸得到迅速推廣。它的改型產品直到19世紀初還在製造。紐科門大氣式蒸汽機的熱效率很低，這主要是由於蒸汽進入汽缸時，在剛被水冷卻過的汽缸壁上冷凝而損失掉大量熱量，隻在煤價低廉的產煤區才得到推廣。1764年，英國的儀器修理工瓦特為格拉斯哥大學修理紐科門蒸汽機模型時注意到這一缺點，於1765年發明了設有與汽缸壁分開的凝汽器的蒸汽機，並於1769年取得了英國的專利。初期的瓦特蒸汽機仍用平衡杠杆和拉杆機構來驅動提水泵。活塞由杠杆另一端的配重拉升到頂部後，平衡閥關閉而進汽閥打開，將蒸汽引入汽缸上端，同時排汽閥開啟使活塞下汽缸部分和凝汽器接通而形成真空，活塞受壓下降，從而拉起提水泵的拉杆。活塞被壓到下端後關閉進汽閥和排汽閥，同時打開平衡閥連通汽缸的上下端，配重遂再次拉起活塞，如此循環作功提水。為了從凝汽器中抽除凝結水和空氣，瓦特裝設了抽氣泵。他還在汽缸外壁加裝夾層，用蒸汽加熱汽缸壁，以減少冷凝損失。
1782年前後，瓦特將機器進一步改進，完成了兩項重要發明：①在活寒工作行程的中途關閉進汽閥，使蒸汽膨脹作功以提高熱效率；②使蒸汽在活塞兩麵都作功（雙作用式）以提高輸出功率。這時的活塞既要向下拉動杠杆又要向上推動杠杆，扇形平衡杠杆和拉鏈已不再適用，瓦特便發明了平行四邊形機構。早在1770年左右，瓦特就開始研究如何利用蒸汽驅動旋轉機械。為了避開別人已取得的將曲柄滑塊機構應用到蒸汽機上的專利，瓦特於1781年發明了行星齒輪機構，使活塞的往複運動轉換為主軸的旋轉運動。汽缸內活塞的往複運動通過平行四邊形機構傳到杠杆，由杠杆帶動連杆再通過齒輪傳到主軸。
瓦特還於18世紀末將曲柄連杆機構用在蒸汽機上。瓦特的創造性工作使蒸汽機迅速地發展，他使原來隻能提水的機械，成為可以普遍應用的蒸汽機，並使蒸汽機的熱效率成倍提高，煤耗大大下降。因此瓦特當是蒸汽機最主要的發明人。
自18世紀晚期起，蒸汽機不僅在采礦業中得到廣泛應用，在冶煉、紡織、機器製造等行業中都獲得迅速推廣。它使英國的紡織品產量在20多年內（從1766年到1789年）增長了5倍，為市場提供了大量消費商品，加速了資金的積累，並對運輸業提出了迫切要求。在船舶上采用蒸汽機作為推進動力的實驗始於1776年，經過不斷改進，至1807年，美國的富爾頓製成了第一艘實用的明輪推進的蒸汽機船“克萊蒙脫”號。此後，蒸汽機在船舶上作為推進動力曆百餘年之久。1801年，英國的特裏維西克提出了可移動的蒸汽機的概念。1803年，這種利用軌道的可移動的蒸汽機首先在煤礦區出現，這就是機車的雛型。英國的斯蒂芬森將機車不斷改進，於1829年創造了“火箭”號蒸汽機車，該機車拖帶一節載有30位乘客的車廂，時速達46千米／時，引起了各國的重視，開創了鐵路時代。19世紀末，隨著電力應用的興起，蒸汽機曾一度作為電站中的主要動力機械。1900年，美國紐約曾有單機功率達5兆瓦的蒸汽機電站。
蒸汽機的發展在20世紀初達到了頂峰。它具有恒扭矩、可變速、可逆轉、運行可靠、製造和維修方便等優點，因此曾被廣泛用於電站、工廠、機車和船舶等各個領域中，特別在軍艦上成了當時惟一的原動機。
蒸汽機的出現和改進促進了社會經濟的發展，但同時經濟的發展反過來又向蒸汽機提出了更高的要求，如要求蒸汽機功率大、效率高、重量輕、尺寸小等。盡管人們對蒸汽機作過許多改進，不斷擴大它的使用範圍和改善它的性能，但是隨著汽輪機和內燃機的發展，蒸汽機因存在不可克服的弱點而逐漸衰落。蒸汽機的弱點是：離不開鍋爐，整個裝置既笨重又龐大；新蒸汽的壓力和溫度不能過高，排氣壓力不能過低，熱效率難以提高；它是一種往複式機器，慣性力限製了轉速的提高；工作過程是不連續的，蒸汽的流量受到限製，也就限製了功率的提高。