1756年，瓦特学期未满，到了苏格兰的格拉斯哥。他特别想自己开个店，但是他的学徒期太短，不够独立经营的标准，因此没有获得当局的批准。
就这样，瓦特到了苏格兰格拉斯哥大学找到一份工作，即做机修工。作为一名机修技师，瓦特对业务刻苦钻研。他勤奋认真，虚心请教大学里的有经验、有知识的老师。
在大学里，瓦特结识了著名物理学家布莱克教授。从那里，他学到了关于热学的知识，这对他日后的发明益处很大。
17世纪的前期与中期时，人们已经了解了大气压力和真空概念。利用蒸汽做动力很早就有了，1601年波尔塔就在《神灵三书》中设计过一个蒸汽的实验器械。
法国工程技师巴本在1679年制作了“蒸煮器”，就像现代的高压锅。他用自己的“蒸煮器”煮食品、做饭，味道很好，而且熟得很快，易烂可口。
就这样，巴本进一步研制了蒸汽机。他研制了世界上第一台带活塞的蒸汽机。在汽缸底部放有少量的水，一加热，水的蒸汽就会推动活塞。当停止加热时，汽缸下落，可以提供动力。后来，英国政府为了解决排水问题而奖励研究，公开悬赏，希望有人能解决矿井的排水问题。因为矿井太深，用机械排水需要很多人或者牛马，既费时又费力。
英国工程师萨费里发明了蒸汽泵来解决这个问题。1698年，萨弗里的蒸汽泵申请了专利，开始投入使用。蒸汽泵成为世界第一台投入实用的蒸汽机。
进一步的改造是英国工程师纽可门。1705年，纽可门与萨费里讨论问题，改造了他的方案，设计了一台较先进的蒸汽机。纽可门为了提高降温冷凝的速度，向汽缸里装了一个冷水喷射器，于是可以达到快速降温，使空气冷却的目的。1712年，英国的煤场与矿场基本上全换成了新式的纽可门蒸汽机。
瓦特在格拉斯哥大学做了很长时间的技师，到了第六个年头，也就是在1764年，大学买了一台纽可门的蒸汽机用来做实验。可是这台蒸汽机常常不灵。瓦特认真地研究了这种蒸汽机，发现了问题。瓦特发现，纽可门蒸汽机最大的缺点是蒸汽不能有效利用、浪费太多。
关键在于使汽缸不再降温。据说1765年，瓦特想到了空气的弹性，他是在天空中看云而联想到的，这和他一年多冥思苦想有关。因为蒸汽有弹性，所以蒸汽加热膨胀后，会向真空的地方移动。在这个地方另外设计部件，可以进行冷却降温，而使汽缸保持温度。
瓦特对自己想法的产生是这样描述的：“那是在一个晴朗的下午，我记得是星期天。我从察罗托街的城门走出，到了草地，又路过旧的洗衣店。我一直考虑蒸汽机的事情。后来进了牧人的农舍。我突然就想到了蒸汽是有弹性的物质，所以可以向真空中移动。要是把汽缸和排气的容器相通，那么蒸汽突然用极大的速度冲进容器，就可以在容器中降温而凝结。当我自己在头脑里把问题想清楚的时候，我还没有走过高尔夫球场呢。”
瓦特所谓增加的装置就是冷凝器。它和一个可以调节的开关相连接，高温的蒸汽注入汽缸之后，开关自动关上，这样密封住气体。做功后打开开关，蒸汽马上进入冷凝器，冷却之后在冷凝器和汽缸内场形成真空。活塞在大气压力下就可以做功。
1669年，瓦特造出来第一台蒸汽机样品，把自己的冷凝器发明申请了专利。
瓦特在布莱克与技师威尔金森的帮助下，解决了汽缸和活塞之间的漏气问题，制出了更加精密的汽缸和活塞。到了1781年，瓦特又改变了蒸汽机只能直线做功的状态，用齿轮装置将活塞的直线往复式运动转化为轮轴的旋转运动。
1782年，瓦特想到更进一步的方案，即双缸蒸汽机，这样一来，蒸汽机效率大幅度提高，终于可以成为机械动力之源了，蒸汽时代由此开始。
新式的蒸汽机被广泛运用，有采矿、纺织、冶金、机械加工等各种行业。马克思认为，蒸汽机的发明，在很短的时间内把世界万事万物都改变了。
1790年，瓦特发明的蒸汽机基本取代了旧的蒸汽机，瓦特还发明了离心调节器，这个发明使蒸汽量得到了控制。
1800年，瓦特被选入皇家学会。
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