据说，瓦特是由于发现水在沸腾时顶起了壶盖，受到了启发，想到要利用蒸汽作动力而发明蒸汽机。其实这是一个不很确实的说法。在瓦特之前，就有很多人研究过利用蒸汽作动力的机械，并且已经有了抽水用的蒸汽机。瓦特最卓越的贡献是他发明了蒸汽机的外冷凝器，大大提高了蒸汽机的效率，同时还发明了把蒸汽机的往复运动变为回转运动的机构，使蒸汽机成为普遍应用的动力机。正是这种动力机，为人类开辟了一个崭新的时代，即蒸汽动力时代。瓦特因此而被称之为工业文明的开拓者和奠基人。
仪器修理工
1736年，瓦特出生于英国当时的造船业中心格拉斯哥市附近的格林诺克镇。父亲是一个有经验的造船木工，祖父和叔父也都是机械工人。瓦特从小体弱多病，而且由于家境贫苦，少年时代的瓦特，不能按期上学，没有受到系统的学校教育。由于身体不太好，行动十分稳重的小瓦特，曾一度被认为是一个“愚钝而不聪明的人”。瓦特的母亲是一位智力过人的聪明女人，他成为瓦特的启蒙老师。瓦特跟这样一位天才的母亲学习文学和有关知识。13岁时，瓦
特开始学习数学，15岁时，又学习了《物理学原理》，这时的瓦特已开始显露出自己的天才。
瓦特的少年时代，基本上是在父亲所在的工场里度过的，并和手工劳动结下了不解之缘，这无疑决定了他以后的发展方向。瓦特跟随父亲劳动的车间，主要是制造船舶所需的装备，制作船舶等所需的各种小型木工器具，或进行船头装饰的雕刻，制作跑架、滑车、泵、辘轳等。对瓦特来说，这里是一个最好的学校。在劳动中，他不仅用手，而且注意开动脑筋，留心各种各样的事情，如扛料时为什么左肩上用条木棒托住后部便省力些？为什么拉锯时用力要均匀、姿势要摆正？等等。在这所特殊的学校里，少年瓦特不但学会了操纵机械或使用器具，学到了作为一名精密机械工所应掌握的各种技能，而且获得了丰富的关于机械的感性知识，培养了爱好机械的兴趣。
1753年，瓦特的母亲去世，父亲又经商失败，迫使瓦特决意要自己外出谋生。1754年6月，18岁的瓦特在父亲的指导下，带着少量的工具和一个皮制围裙前往格拉斯哥，投奔到母亲的一位亲戚那里当学徒，学习修理教学仪器。由于业务上的联系，使他结识了格拉斯哥大学的罗伯特·迪科教授。迪科很欣赏这位技艺娴熟、又勤学好问、肯于钻研的年轻人，并极力劝说他前往伦敦。作为当时欧洲经济文化的中心，伦敦聚集了一大批优秀的器械制造工匠，迪科希望瓦特到这个大都市进一步学习深造，施展才华。
1755年6月7日，瓦特骑马来到伦敦。但为了找师傅，却颇费了一番周折，最后好不容易才投奔到约翰·莫根门下，学习仪表修造技艺。由于勤奋好学，他很快学会了制造难度较高的象限仪、方位罗盘、经纬仪等精密器械。瓦特在给父亲的信中说：“我虽然没有熟练工人做得那样快，但是，我可以做得和他们一样好。”由于家庭收入低微，他不得不时常挤出时间，到外面找点苦而重的活来干，以便挣些钱交纳学徒费。这样，除星期六外，他每天几乎都要工作到深夜九点多钟。瓦特的身体本来就不好，加上如此繁重的劳动和艰苦的生活，因而健康状况更是每况愈下。他曾在信中写道：“经常像撕破咽喉一样的咳嗽，背像针刺一样疼痛，全身感到懒倦。”一年后，他带着衰弱的身体重返故乡。一年的学徒生活使他倍尝辛酸，但是也使他练就了精湛的手艺，培养了坚韧不拔的性格。
故乡海滨的清新空气，与家人团聚的愉快心情，使瓦特很快恢复了健康。1756年，20岁的瓦特再一次来到格拉斯哥，想以修理仪器的身份开业，但当地的行会因他学徒期未满（当时规定学徒必须七年才能“满师”），不准许他开业。正当他感到绝望之是，迪科再一次帮助了他。在迪科教授的推荐下，瓦特于1757年来到格拉斯哥大学附设的教学仪器厂当仪器修理工。这成为他生活的转折点，并由于一个偶然的机会，使他走上了改进蒸汽机的征途。
冷凝器的发明
1763年的一天，格拉斯哥大学的一位教授约翰·安德逊找到瓦特，委托他修理一台纽可门蒸汽机的模型。好奇心很强的瓦特早就对用蒸汽作动力的机械发生了兴趣。他曾听到他的一些朋友，如格拉斯哥大学副教授布莱克等人谈起过纽可门蒸汽机的事。他也曾搜集过有关蒸汽动力的资料，还曾作过高压蒸汽的实验，但就是一直没有机会接触过蒸汽机。安得逊教授的委托无疑为他了解蒸汽机提供了一个难得的机会。但此时的瓦特也许未曾料到，这次机会不但改变了他自己一生的命运，而且由于他对蒸汽机的改进，改变了整个社会生产的面貌，促进了工业革命的迅速到来。
瓦特在接受了修理纽可门蒸汽机的任务之后，没有满足于仅仅把有毛病的地方修好，而是把机器全部拆开，一个零件一个零件地研究，以便弄清它的构造原理，然后针对问题，再进行修理。瓦特凭借多年当修理工的经验，很快便把机器修好了。但当试车时，瓦特发现这种机器动作缓慢，且不是连续的。进一步试验便发现了一个更大的问题，这种蒸汽机消耗能量太大，效率很低，燃烧13吨煤，只能产生75马力的动力。面对修好的纽可门蒸汽机，瓦特陷入了沉思：能不能对它加以改进，使其动作再快一些，效率再提高一些呢？正是在修理和试验的过程中，瓦特树立了要从根本上改进蒸汽机的志向，并持之以恒地开始了对蒸汽机的研究。
大概连小学生都知道，蒸汽机是由瓦特发明的。这话既对又不完全对。说它对，是因为瓦特确实发明了一种和以前完全不同的蒸汽机，使蒸汽动力获得了普遍的应用；说它不完全对，那是因为在瓦特之前就有人发明了蒸汽机。将蒸汽作为动力的想法，古人就有。二千多年前古希腊人希罗就曾发明了以蒸汽为动力的精巧装置；达·芬奇也曾设计过用蒸汽开动大炮的图样。在当时的中学课本上就已开始讲授真空、大气压等物理知识，这些也都与蒸汽机的发
明有关。自1643年托里拆利发现了真空，证实了大气压力的存在，后来，德国的格里凯又用人工办法法制造了真空。1662年，波义耳则发现了气体体积和压力成反比的定律。正是在这些科学认识的基础上，适应社会发展对动力的需要，在18世纪才发明了蒸汽机。
到18世纪的时候，人们为什么想要发明蒸汽机呢？这是因为从17世纪以来煤炭已经成为冶炼钢铁的主要燃料，对煤炭的需要日益增加，矿山数量增加，矿井也越挖越深。为了能正常地进行采煤，就必须不断地抽出矿井里的水。当时只能靠马拉辘轳推动水泵抽水。为此，不少矿山都要饲养几百匹马，这种办法既麻烦又费钱。人们急需寻找一种更有效的排水动力机械，由此产生了“以火提水”的设想，就是要创造一种以火力或热能推动的排水泵。
第一台实用的蒸汽泵是由英国的一个叫萨弗里的上尉于1698年首先发明的。他继承了前人的发明成果，利用蒸汽冷凝使一个容器产生真空，在大气压力作用下，将井下水吸入容器中，再通入蒸汽，利用蒸汽压力把容器里的水排出。这样循环操作就可以把井水抽到井外。但由于它效率低，加之没有活塞，容易发生爆炸事故，所以没有引起人们的重视。1705年，苏格兰铁匠纽可门发明了一种比较实用的带活塞的蒸汽机。它先向汽缸通入蒸汽，推动活塞向上运动，然后再向汽缸通入冷水，使蒸汽冷凝，缸内形成真空，这样便可以利用大气压力使活塞反向运动，以此带动水泵排水。纽可门蒸汽机基本上满足了矿山抽水的需要，几乎在英国所有的矿井都应用了这种蒸汽机，实际上它只不过是一台蒸汽排水机。
瓦特所要修理的正是这样的蒸汽机。他也就是在这样的基础上开始了对蒸汽机的研究。经过对纽可门机的分析研究，联系到他在听他的老朋友布莱克讲课时，所了解到的关于潜热和比热的知识，受到启发，终于找到了纽可门机的症结所在：纽可门蒸汽机利用向汽缸喷冷水获得真空，这样活塞每上下运动一次，汽缸都要冷却一回；第二次进入的蒸汽首先要加热汽缸，待汽缸本身的温度升高后，才能推动活塞。这样一方面因蒸汽浪费造成了效率低，另一方面则因时间耽搁造成动作慢且不连续。由此，他得出结论：为了使蒸汽有效地推动活塞，首先必须设法使汽缸保持与进入的蒸汽相同的温度，其次必须使进入的蒸汽尽快冷凝，以获得缸内负压或真空。通过上述分析，使瓦特明确了改进的方向。采用什么办法达到这两项要求呢？他针对这一问题开始了新的研究，并经常利用瓶子、竹筒等工具进行试验，遇到不懂的问题就四处向人请教，简直达到了废寝忘食的程度，一度使一些人误认他的神经失常了。转眼将近两年的时间过去，对于如何改进，瓦特仍是感到一筹莫展。