文化和技術的一些長進，職務的提升，並沒有使司蒂芬遜滿足。為了博采眾家之長，不斷吸取前人的成果，司蒂芬遜不辭辛苦，步行1500多裏來到瓦特的故鄉蘇格蘭去做工。在那裏經過一年多的刻苦學習和鑽研，他不僅徹底搞清楚了蒸汽機的原理，而且學會並撐握了當時煤礦裏的各種機器性能。
1810年的一天，礦上一台機器突然出現了故障，許多機械師都找不到毛病在什麼地方。司蒂芬遜主動請纓，熟練地找出了故障，並把出故障的地方修好了。為此，司蒂芬遜又被提拔當上了機械工程師。
此後，司蒂芬遜又繼承特裏維西克的未完事業，研究起火車來。首先他運用邊輪作為火車的車輪，以減少對鐵軌的破壞；其次在車廂下加減震彈簧，用熟鐵代替生鐵做路軌材料，在枕木下加輔小石塊，以減少振動。
1814年7月，司蒂芬遜製造了第一台重5噸的蒸汽機車“布魯克魯號”，它拖有8節重約30噸的車廂，在煤礦的軌道上試車。試車時遭到了一些具有神學觀念與守舊思想的人堅決反對。他們認為火車的隆隆聲破壞了上帝給予世界的安寧，指責火車驚動了鐵路兩旁的生靈，他們還驚呼鍋爐會爆炸，車廂會顛覆，乘客會因此遇難。有些人甚至乘馬車與火車賽跑，以此取笑火車還沒有馬車跑得快。在這些阻力麵前，司蒂芬遜沒有退卻，堅持試車。不過這第一台蒸汽機車的確很不完善。外形比較難看，行駛時顛簸劇烈，鐵軌易遭破壞。據說在試車時還曾把一位參加試車的議員和一位董事長給摔傷了。
第一台蒸汽機車試車後，司蒂芬遜繼續對蒸汽機車與鐵路軌道進行了各種技術研究。1823年，他擔任總工程師，主持修建了蘇格蘭北部的斯多克頓至達林頓之間的第一條商用鐵路，並加快進行了新的蒸汽機車與車廂的製造工作。
1825年9月27日，司蒂芬遜親自駕駛自己設計的世界第一列客貨兩用的“旅行”號蒸汽機車，在新的鐵路軌道上舉行了隆重的試車儀式。機車掛有12節車廂，載有近100噸貨物以及450名乘客，以每小時15千米的速度行駛。這次隆重的試車取得了空前的勝利，人們為這一奇跡的出現而歡呼。
1830年，司蒂芬遜自建的第二條鐵路在利物浦與曼徹斯特之間貫通，這一次，他駕駛的“火箭”號機車完全采用蒸汽動力，平均時速達到了29千米，全線沒有出現任何故障。從此，利物浦與曼徹斯特這條線路就成了世界上完全靠蒸汽機車牽引的第一條鐵路線。
司蒂芬遜以蒸汽機車牽引的鐵路線，召喚了一個“鐵路時代”的到來。正是司蒂芬遜的功勞，使鐵路迅速擴展到全球，使世界真正認識到鐵路運輸的巨大的優越性。從此，這匹無蹄的鐵馬奔馳在地球各地，極大地促進了世界經濟的發展。
火車的運行道——鐵軌
鐵軌的發明經曆了一個漸進的過程。可以說，在火車沒有發明之前，鐵軌已被發明了。
軌道最早是由埃及人發明的。5000前，古埃及人發現，由於車輪在大道上長期行駛，竟壓出了兩條堅硬的車轍，這使車輛行進起來要比沒有車轍的道路輕快許多。但是，隻有車輪壓在車轍上行駛，才會出現這種情況。古埃及人由此受到啟發，使用石頭鋪墊路麵，並在石頭上鑿出凹槽，這就是最早的車軌。
大約在公元1500年，世界上出現了木軌道，人們把樹木加工成木軌道，固定在鋪設的矩形橫木上，再把木頭車輪挖成凹形，使其正好嵌在木軌道上，保證車子行進時不至脫軌。比起泥質地麵上凹陷的車轍和石槽而言，木軌道更便於行車。考古工作者發現，古埃及和古希臘都曾有過石質軌道。16世紀時，德國人還曾經把石軌鋪設在哈茲礦區，供運送礦石的車輛行駛。
17世紀後，英國出現了把煤運到泰恩河畔的煤倉中去的木軌道。因為木軌道容易磨損，人們想出了給木軌道包一層硬木和不斷更換硬木的辦法。後來，又把換成了鐵條，後來幹脆換成了鑄鐵。可是，生鐵是一種韌性不好的金屬，最初的機車由於過重而使鐵軌容易斷裂，所以，那些擁有礦井而需要購賣機車的人則以不經濟為理由，斷然拒絕使用火車，用馬匹拉車。當司蒂芬遜在擔任自己設計的鐵路的總工程師時，曾提出在這條線路上鋪設自己發明的生鐵軌，每根長0.915米，可就在這時，英爾佩恩的具德林頓鐵廠的伯金肖，已經改進了軋製熟鐵軌的方法，軋出每根長4.575米的鐵軌。這種鐵軌具有接頭少，韌性好，在重壓下不易斷裂等優點，於時，司蒂芬遜毅然拋開了自己發明的鐵軌，而在這條線路上鋪上具德林頓廠生產的鐵軌。
至於鐵路軌距為1435毫米是在19世紀30年代英國人布魯內爾提出的。據說這個提議有其曆史原因。相傳，2000多年前，古羅馬戰車的車輪就是這個寬度，公元前55年，古羅馬的軍隊曾經乘這樣的戰車入侵英國，無數戰車在道路上留下車轍。英國人為了使自己的車輛能順利行進，決定把車輛的距離也改為1435毫米寬，至此，這個傳統就被沿襲下來了。1937年，國際鐵路協會規定：鐵路的標準軌距為1435毫米。
鐵馬的韁繩——火車刹車裝置
自從司蒂芬遜芬發明了火車以後，不久，呼嘯的火車就開始奔馳在美國和歐洲大陸。形成了鐵路交通運輸業蓬勃發展的新時代。
但是，那時的火車還不夠完善，致命的缺點是刹車不靈。當時火車的刹車裝置十分原始，最初僅裝在車頭上，完全憑司機的體力扳動閘把來刹車，很難使沉重的列車迅速停下來。後來改進為每節車廂上都安一個單獨的機械製動閘，配備一個專門的製動員，遇有情況，由司機發出信號，各個製動員再狠命拉下閘把。這樣雖然稍好一些，但仍然不能迅速地刹住列車，經常導致運行事故。在一般公眾眼裏，火車也是一種不安全的交通工具，有人將它戲稱為“踏著輪子的混世魔王。”因此，發明一種靈敏有效的火車刹車裝置，能有效地拴住這匹奔騰的“鐵馬”，已成了鐵路係統一項亟待解決的大問題。
很多人都曾致力於改進火車刹車裝置的研究，但是都沒有成功。
1866年春季的一天，美國青年威斯汀豪斯乘火車旅遊。可是，火車剛出站不遠，不知為什麼停了下來。威斯汀豪斯感到很奇怪，一打聽才知道，在前麵拐彎處發生車禍。一列火車和一輛牛車相撞，他連忙下車去觀看，隻見幾節車廂睡倒在路上，牛車四輪朝天躺在路邊的小河裏，趕車的人更是慘不忍睹，已被火車軋得麵目全非。
這一切都是因火車製動不靈所造成的，於是，他決心製造一種有效的製動閘，來避免交通事故的發生，保障鐵路運輸的安全。
他首先想到了蒸汽。既然列車是蒸汽推動的，為什麼不能用蒸汽來製動呢？他設計了一個裝置，用管路把鍋爐和各個車廂連接起來，試圖用蒸汽來推動汽缸活塞，從而壓緊閘瓦，達到刹車的目的。但由於高壓蒸汽在長長的管路裏迅速冷凝，喪失壓力，從而不能達到預期製動火車的效果。
正當威斯汀豪斯一籌莫展時，有一天他偶然買了一份《生活時代》報，從報上看到了一條法國人開鑿塞尼山隧道，用壓縮空氣驅動大型鑿岩機開山的報道，使他一下子聯想到冥思苦想許久的火車製動裝置：壓縮既然能推動機器開山挖石，能不能帶動火車製動閘呢？
有了這個想法，威斯汀豪斯馬上付諸實踐。他在火車上增加了一台由機車帶動的空氣壓縮機，通過管道把壓縮空氣送到各個車廂的汽缸裏。在刹車時，隻要將閘門打開，壓縮空氣就會推動各個車廂的汽缸活塞，緊緊地壓住閘瓦，這樣，火車便迅速停止下來。
23歲的威斯汀豪斯以自己不懈的努力，終於給不聽話的火車套上了“韁繩”，從而保障了鐵路運輸的安全。1868年，威斯汀豪斯取得了空氣製動閘的專利權，並創辦了空氣製動閘公司，開始向社會提供全新概念的空氣製動裝備。
1888年，威斯汀豪斯成功地對空氣製動裝置作了較大的改進。改進後製動性能更加完美。從此，世界上所有的鐵路公司都相繼引進了這種火車刹車裝置，列車的運行也因此變得更加安全平穩。時至今日，空氣製動閘仍然是火車和汽車運行的安全保障。
連接車廂的鐵手——火車自動掛鉤
火車是由許多節車廂組成的，而各個車廂則用自動掛鉤連為一體。可別小看了這種掛鉤，它的作用可不小呢。
19世紀中葉之前，火車掛鉤還沒有被發明出來，火車的各車廂用鐵鏈子栓起來，這種辦法太笨重了，不但浪費時間、精力，還很不結實，一遇到列車爬坡，車廂就會發生脫節現象，弄不好還會釀成嚴重的事故。
火車掛鉤的發明人，是一個名叫哈姆爾特·詹內的美國人，他原本是一個鐵路工人。當時，為使火車車廂連為一體或分成數截，工人們總要爬高爬低，用鐵鏈子纏來繞去，從事艱苦的工作，還容易發生擠傷手腳的事故。詹內看到眼裏，急在心裏，就決心發明一種新的連接方法。
1867年的一天，詹內從貨運站幹完活趕回家去，他一邊走，一邊開動腦筋，思索著火車掛鉤的問題。
正在這時，一群孩子進入他的視線，這些天真活潑的孩子正在做遊戲，將他的去路擋住。隻見他們先是互相追逐，很快又變成兩人一對，臉對著臉，雙腳頂住，胳膊伸直，手指彎曲相互鉤連在一起，身子向後傾斜著轉圈，發出了一陣銀鈴般的笑聲，令人心情格外愉悅。