18世紀40年代的一個寒冷冬天，在蘇格蘭格林洛克鎮的一座房子裏，一個小男孩正站在熊熊爐火麵前，對著一隻沸騰的開水壺出神，他怔怔地看著白色水蒸氣從壺嘴和壺蓋開縫的地方不斷噴出，壺蓋被頂起又落下，發出有節奏的“嗒、嗒”聲，百思不得其解。這時他的奶奶走了進來，他連忙迎上去問道：“奶奶，水怎麼會把壺蓋頂起來呢？”“傻孩子，水開了，就有許多氣冒出來，是氣把蓋子頂起來的呀。”“哦，氣的力量真大呀！”小男孩若有所思地閃了閃眼睛。這個愛思考問題的小男孩，名叫詹姆士·瓦特，後來成為人類第一台具有實用價值的蒸汽機的發明者，並開創了人類的一個新時代——蒸氣時代。
瓦特出生於1736年1月19日。他的父親是一名造船工匠，並且經營各種海運，有一個修理廠。其母是一位有著豐富知識的家庭婦女。瓦特生來體弱，性格孤僻，經常請假不能正常上學，因此，功課也不是很好。但他的求知欲非常強烈，特別喜歡幾何學。由於身體不好，瓦特中學沒有畢業，就退學回到家中自學。瓦特後到父親的工廠裏學習技術，操作各種工具。經過幾年的磨煉，他先後學會了木工、金屬冶煉和加工、機械製造、儀器修理等多種工藝，為後來的發明打下了堅實的基礎。
1753年，瓦特的父親經商失敗，接著母親去世，家中一貧如洗。17歲的瓦特被迫外出謀生，到格拉斯哥一家鍾表店當學徒。兩年後又到達倫敦，在著名機械師摩爾根門下為徒。1756年，他回到了蘇格蘭，瓦特本想自己開業製造器械，但是由於他的學徒年限不夠，不符合市政當局的要求，隻得經朋友介紹，在市政當局管轄的格拉斯哥大學當了一名修理教學儀器的工人。不久，一位商人向格拉斯哥大學捐贈了一大批天文儀器，但很破舊，不能正常運轉。瓦特主動承擔了修理這些儀器的任務，並很快修複了。一位教授由衷地稱讚道：瓦特是一個機械知識豐富，非常機敏和具有過人才能的年輕人。
1763年，又有人給格拉斯哥大學送來了一台損壞了的蒸汽機模型。瓦特被指派為全權負責修理，讓這台機器發動起來，供學生做實驗用。誰也沒有想到這竟成為瓦特在人類曆史上留下偉大功績的開端。
蒸汽機是一種利用水蒸氣把熱能轉變成機械能的動力裝置。人類對蒸氣的認識和利用，經曆了一段較長的曆史。英國君主立憲製確立後，英國的工業迅速發展，珍妮紡紗機和水力紡紗機等機器的使用日益廣泛，但動力問題卻成為擴大機器生產的“瓶頸”。1705年，英國鐵匠鈕可門製成了可用於礦井抽水的“鈕可門蒸汽機”。但因存在著燃料消耗過多，隻能往複直線運動，且溫度無法控製的缺點，未能在其他生產部門廣泛采用。
瓦特主持修理的正是一台“鈕可門蒸汽機”，他接受這一任務後很快就把這台鈕可門發動機模型修好了。但他對此並不滿足，通過這次修理，瓦特對蒸汽機的結構、性能和存在的問題有了更多的了解，並且產生了濃厚的興趣，像著了迷一樣。他觀察到鈕可門發動機的活塞從根本上說是用機械的力量取代了人的雙手，但是一分鍾隻能往返10次，工作效率極低。他決心改進蒸汽機的設計。
瓦特開始學習蒸汽機的原理，根據發動機的原理來考慮問題。他又研究了蒸氣的性質，從蒸氣和燃料的消耗等具體問題開始研究，然後擴大到熱的移動和發動機的關係等抽象問題上。他進行了多次實驗，但仍沒有想出一個改良“鈕可門蒸汽機”效率的具體辦法。