一個偶然的機會讓他與蒸汽機結下不解之緣，並為之奮鬥一生，而且屢遭挫折，屢不罷休，最終獲得了成功。瓦特的小店開業4年後，在朋友羅賓遜教授的引導下，瓦特開始關注蒸汽機。1764年，學校請瓦特修理一台紐可門式蒸汽機，在修理的過程中，瓦特熟悉了蒸汽機的構造和原理，並且發現了這種蒸汽機的兩大缺點：活塞動作不連續而且慢；蒸汽利用率低，浪費原料。第二年春天，在一次散步時，瓦特想到，既然紐可門蒸汽機的熱效率低是蒸汽在缸內冷凝造成的，那麼為什麼不能讓蒸汽在缸外冷凝呢？瓦特產生了采用分離冷凝器的最初設想。可是，把理論上的東西變為現實，還有很長的路要走。瓦特辛辛苦苦造出了幾台蒸汽機，效果遠不如自己設想的，甚至四處漏氣，無法開動。不僅如此，耗資巨大的試驗讓他債台高築。後來，瓦特得到約翰·羅巴克的讚助，繼續研究製造新式蒸汽機。經過三年多刻苦攻關，瓦特克服了在材料和工藝等各方麵的困難。1769年他研製出了第一台樣機，但是，這台機器在工作性能上也沒有取得令人滿意的效果。後來，羅巴克的公司也破產了，接替他的是一家鑄造廠老板馬修·博爾頓。想不到，博爾頓對蒸汽機的研製也非常感興趣，使瓦特在資金、設備、材料等方麵得到了大力支持。不久，瓦特又生產出兩台帶分離冷凝器的蒸汽機，功效也沒有太大的改進，卻因耗資巨大，使博爾頓瀕臨破產。在瓦特進退兩難之際，博爾頓毅然竭盡全力地對瓦特慷慨相助。艱難困苦中，瓦特攻克了一個又一個技術難關，通過三次技術飛躍，世界上第一台新式蒸汽機終於誕生了。1784年4月，英國政府授予瓦特以製造蒸汽機的專利證書。
至此，世界工業進入了“蒸汽時代”：19世紀30年代，蒸汽機廣泛應用到紡織、冶金、采煤、交通等部門，很快引起了一場技術革命；美國人富爾頓發明了用瓦特蒸汽機作動力的輪船，英國人史蒂芬遜發明了用瓦特蒸汽機作動力的火車……
瓦特為發明新式蒸汽機，辛辛苦苦努力了二十多年，多次受挫、屢遭失敗，但他仍然堅持不懈、百折不回，終於使蒸汽機得到了更廣泛的應用，成為改造世界的動力。他的超人的才能、不懈的鑽研和創造精神，成為後人礪誌的楷模。