在一個晴朗的星期天下午，瓦特正在郊外散步，但他的腦海裏仍然在思考著蒸汽機問題。突然他腦中閃出一個念頭：加裝一個蒸氣冷凝器，就可以彌補蒸氣在汽缸裏冷卻凝聚而過多浪費熱量的重大缺陷。他馬上辭去了在格拉斯哥大學的工作，全身心地投入了試製樣機的工作。在租借的地下室裏，瓦特和他的助手經過反複試驗，終於在1768年製成有分離冷凝器的單動式蒸汽機，第二年獲得專利申請。瓦特的蒸汽機比鈕可門的蒸汽機有更顯著的優點：它的安全性更可靠，運動更迅速，燃料耗費也減少了75%。大家都誇獎瓦特的發明。
“不！它隻是單動式的。我還要製造聯動式的，讓它更圓滿地運轉！”瓦特並不滿足於自己的成就。
1774年，瓦特因妻子去世，從蘇格蘭遷居伯明翰。在製造商波爾頓的支持下，繼續進行蒸汽機的製作和改進工作。1781年，瓦特采用了行星齒輪機構，使蒸汽機從往返運動變為旋轉運動。1782年，瓦特製造了更為完善的聯動式蒸汽機，功效提高4倍。1784年他又發明了平行連杆機構，使蒸汽機具有更廣泛的應用性。一年後，英國出現了第一座采用蒸汽機作為動力的紡紗廠。1788年瓦特發明了離心調速器和節氣閥。1790年，製成汽缸示動器，最終完成了對蒸汽機的整個發明過程。從此，性能優越的瓦特蒸汽機完全取代了老式鈕可門發動機。
從技術角度而言，瓦特蒸汽機與鈕可門發動機有著質的差別，鈕可門發動機的活塞運動一部分靠蒸氣推動，另一部分靠外界的大氣壓力推動。而瓦特蒸汽機采用密封氣缸，活塞運動完全靠蒸氣的推力，所以才堪稱世界上第一台蒸汽機。此外，把離心調節器用於蒸汽機，創造了動力單位——馬力，也是瓦特的功勞，離心調節器是一種通過過程本身的變化來控製過程的裝置。自動化的興起雖然是20世紀以後的事，但它起始於瓦特。調節器這個詞，通過希臘語，為我們提供了一個現代語——控製論。
從研究方法的角度來看，瓦特沒有進入當時手工藝人的行列，也未受過高等教育。但他找到了觀察認識和研究探索蒸汽機的新道路，就是從科學和實用兩個方麵去分析發動機是如何工作的。這是現代技術專家所特有的研究方法，因此我們把瓦特稱之為第一位現代技術專家一點也不過分。
瓦特的發明，使人類獲得了一種把熱運動轉化為機械運動的機械裝置，從而滿足了社會對動力能源的需要。工廠開始了大規模的生產，工廠工人取代了手藝工人。1807年，美國人富爾敦把瓦特的蒸汽機裝在輪船上，從此輪船通航世界；1814年，英國人史蒂芬遜把瓦特的蒸汽機裝在機車上，從此鐵路交通遍及五大洲。蒸汽機的廣泛使用，最終促成了英國和歐洲的工業革命，引起了社會生產力的驚人發展。它是科學技術史上具有偉大意義的第一次技術大革命。
人們為了紀念瓦特的偉大發明，把發電機和電動機的功率計算單位稱為“瓦特”，簡稱為“瓦”，並一直沿用至今。