瓦特在接受了修理紐可門蒸汽機的任務之後，沒有滿足於僅僅把有毛病的地方修好，而是把機器全部拆開，一個零件一個零件地研究，以便弄清它的構造原理，然後針對問題，再進行修理。瓦特憑借多年當修理工的經驗，很快便把機器修好了。但當試車時，瓦特發現這種機器動作緩慢，且不是連續的。進一步試驗便發現了一個更大的問題，這種蒸汽機消耗能量太大，效率很低，燃燒13噸煤，隻能產生75馬力的動力。麵對修好的紐可門蒸汽機，瓦特陷入了沉思：能不能對它加以改進，使其動作再快一些，效率再提高一些呢？正是在修理和試驗的過程中，瓦特樹立了要從根本上改進蒸汽機的誌向，並持之以恒地開始了對蒸汽機的研究。
大概連小學生都知道，蒸汽機是由瓦特發明的。這話既對又不完全對。說它對，是因為瓦特確實發明了一種和以前完全不同的蒸汽機，使蒸汽動力獲得了普遍的應用；說它不完全對，那是因為在瓦特之前就有人發明了蒸汽機。將蒸汽作為動力的想法，古人就有。二千多年前古希臘人希羅就曾發明了以蒸汽為動力的精巧裝置；達·芬奇也曾設計過用蒸汽開動大炮的圖樣。在當時的中學課本上就已開始講授真空、大氣壓等物理知識，這些也都與蒸汽機的發
明有關。自1643年托裏拆利發現了真空，證實了大氣壓力的存在，後來，德國的格裏凱又用人工辦法法製造了真空。1662年，波義耳則發現了氣體體積和壓力成反比的定律。正是在這些科學認識的基礎上，適應社會發展對動力的需要，在18世紀才發明了蒸汽機。
到18世紀的時候，人們為什麼想要發明蒸汽機呢？這是因為從17世紀以來煤炭已經成為冶煉鋼鐵的主要燃料，對煤炭的需要日益增加，礦山數量增加，礦井也越挖越深。為了能正常地進行采煤，就必須不斷地抽出礦井裏的水。當時隻能靠馬拉轆轤推動水泵抽水。為此，不少礦山都要飼養幾百匹馬，這種辦法既麻煩又費錢。人們急需尋找一種更有效的排水動力機械，由此產生了“以火提水”的設想，就是要創造一種以火力或熱能推動的排水泵。
第一台實用的蒸汽泵是由英國的一個叫薩弗裏的上尉於1698年首先發明的。他繼承了前人的發明成果，利用蒸汽冷凝使一個容器產生真空，在大氣壓力作用下，將井下水吸入容器中，再通入蒸汽，利用蒸汽壓力把容器裏的水排出。這樣循環操作就可以把井水抽到井外。但由於它效率低，加之沒有活塞，容易發生爆炸事故，所以沒有引起人們的重視。1705年，蘇格蘭鐵匠紐可門發明了一種比較實用的帶活塞的蒸汽機。它先向汽缸通入蒸汽，推動活塞向上運動，然後再向汽缸通入冷水，使蒸汽冷凝，缸內形成真空，這樣便可以利用大氣壓力使活塞反向運動，以此帶動水泵排水。紐可門蒸汽機基本上滿足了礦山抽水的需要，幾乎在英國所有的礦井都應用了這種蒸汽機，實際上它隻不過是一台蒸汽排水機。
瓦特所要修理的正是這樣的蒸汽機。他也就是在這樣的基礎上開始了對蒸汽機的研究。經過對紐可門機的分析研究，聯係到他在聽他的老朋友布萊克講課時，所了解到的關於潛熱和比熱的知識，受到啟發，終於找到了紐可門機的症結所在：紐可門蒸汽機利用向汽缸噴冷水獲得真空，這樣活塞每上下運動一次，汽缸都要冷卻一回；第二次進入的蒸汽首先要加熱汽缸，待汽缸本身的溫度升高後，才能推動活塞。這樣一方麵因蒸汽浪費造成了效率低，另一方麵則因時間耽擱造成動作慢且不連續。由此，他得出結論：為了使蒸汽有效地推動活塞，首先必須設法使汽缸保持與進入的蒸汽相同的溫度，其次必須使進入的蒸汽盡快冷凝，以獲得缸內負壓或真空。通過上述分析，使瓦特明確了改進的方向。采用什麼辦法達到這兩項要求呢？他針對這一問題開始了新的研究，並經常利用瓶子、竹筒等工具進行試驗，遇到不懂的問題就四處向人請教，簡直達到了廢寢忘食的程度，一度使一些人誤認他的神經失常了。轉眼將近兩年的時間過去，對於如何改進，瓦特仍是感到一籌莫展。