Watt será recordado por las generaciones futuras por su famosa contribución a la máquina de vapor.
Sin embargo, debido a deficiencias como el consumo excesivo de combustible, el movimiento lineal alternativo y la temperatura incontrolable, no se ha utilizado ampliamente en otros departamentos de producción. Watt presidió la reparación de una "máquina de vapor con puerta con pulsador". Después de aceptar esta tarea, reparó rápidamente el modelo de motor con puerta con pulsador. Pero no quedó satisfecho con ello. A través de esta reparación, Watt aprendió más sobre la estructura, el rendimiento y los problemas de la máquina de vapor, y se interesó por ella, como si estuviera fascinado. Observó que el pistón del motor de botón básicamente reemplazaba las manos humanas con energía mecánica, pero solo podía ir y venir 10 veces por minuto, lo cual era extremadamente ineficiente. Estaba decidido a mejorar el diseño de las máquinas de vapor.
Watt comenzó a estudiar los principios de las máquinas de vapor y a considerar problemas basados en los principios de las máquinas. También estudió las propiedades del vapor, comenzando con cuestiones concretas como el consumo de vapor y combustible y luego ampliando a cuestiones abstractas como la relación entre el movimiento térmico y los motores. Realizó muchos experimentos pero aún no podía encontrar una forma concreta de mejorar la eficiencia de la máquina de vapor de botón. Una tarde soleada de domingo, Watt estaba dando un paseo por los suburbios, pero todavía tenía presente la máquina de vapor. De repente, se le ocurrió una idea: instalar un condensador de vapor podría compensar el gran inconveniente de enfriar y condensar vapor en el cilindro, que desperdicia demasiado calor.
Inmediatamente renunció a su trabajo en la Universidad de Glasgow y se dedicó a la producción de pruebas de prototipos. Después de repetidos experimentos en un sótano alquilado, Watt y sus asistentes finalmente construyeron una máquina de vapor de simple efecto con un condensador independiente en 1768, y obtuvieron una solicitud de patente al año siguiente. La máquina de vapor de Watt tiene ventajas más obvias que la máquina de vapor de Patton: es más segura y confiable, se mueve más rápido y reduce el consumo de combustible en un 75%. Todos elogiaron el invento de Watt. "¡No! Es solo una actuación en solitario. ¡También quiero hacer un vínculo para que funcione mejor!" Watt no estaba satisfecho con sus logros. En 1774, Watt se mudó de Escocia a Birmingham después de la muerte de su esposa.
Con el apoyo del fabricante Bolton, continuamos construyendo y mejorando máquinas de vapor. En 1781, Watt utilizó un mecanismo de engranajes planetarios para convertir el movimiento alternativo de la máquina de vapor en movimiento de rotación. En 1782, Watt construyó una máquina de vapor de varillaje más completa, que incrementó su eficiencia cuatro veces. En 1784, inventó el mecanismo de enlace paralelo, que hizo que las máquinas de vapor se utilizaran más ampliamente. Un año después, apareció en Inglaterra la primera máquina de hilar propulsada por una máquina de vapor. 1788 Watt inventó el regulador de velocidad centrífugo y la válvula de mariposa. En 1790, fabricó un actuador cilíndrico y finalmente completó todo el proceso de invención de la máquina de vapor. Desde entonces, el rendimiento superior de la máquina de vapor Watt ha reemplazado por completo al antiguo motor de puerta de botón.
Desde el punto de vista técnico, existen diferencias cualitativas entre la máquina de vapor Watt y la máquina Patton. El movimiento del pistón del motor de botón es impulsado en parte por el vapor y en parte por la presión atmosférica externa. La máquina de vapor de Watt utiliza un cilindro sellado y el movimiento del pistón depende completamente del empuje del vapor, por lo que se la puede llamar la primera máquina de vapor del mundo. Además, la aplicación de reguladores centrífugos en las máquinas de vapor creó una unidad de potencia, el caballo de fuerza, que también se atribuyó a Watt. Un regulador centrífugo es un dispositivo que controla un proceso mediante cambios en el proceso mismo. Aunque Watt tiene lugar después del siglo XX, comienza con Watt. La palabra regulador, a través del griego, nos da un lenguaje moderno: cibernética.
A juzgar por los métodos de investigación, Watt no entró en las filas de los artesanos en ese momento ni recibió educación superior. Pero encontró una nueva forma de observar, comprender y explorar las máquinas de vapor analizando cómo funcionaban, tanto desde el punto de vista científico como práctico. Este es un método de investigación único de los expertos técnicos modernos, por lo que no es exagerado llamar a Watt el primer experto técnico moderno.
El invento de Watt proporcionó a la humanidad un dispositivo mecánico que convertía el movimiento térmico en movimiento mecánico, satisfaciendo así las necesidades de potencia y energía de la sociedad.
Las fábricas comenzaron a producir en masa y los trabajadores de las fábricas reemplazaron a los artesanos. En 1807, el estadounidense Fulton instaló la máquina de vapor de Watt en un barco y el barco navegó alrededor del mundo. En 1814, el inglés Stephenson instaló la máquina de vapor de Watt en una locomotora y desde entonces el transporte ferroviario se ha extendido por los cinco continentes. El uso generalizado de máquinas de vapor condujo finalmente a la Revolución Industrial en Gran Bretaña y Europa, lo que dio lugar a un sorprendente desarrollo de la productividad social. Esta es la primera revolución tecnológica de gran importancia en la historia de la ciencia y la tecnología. Para conmemorar el gran invento de Watt, la gente acortó la unidad de cálculo de potencia de generadores y motores a "Watt", que todavía se utiliza en la actualidad.