一台教学用1736年1月19日，瓦特出生于苏格兰的一个名叫格里诺克的小港口，瓦特从小体弱多病。他性格文静，非常喜欢数学、物理等自然学科的知识。每天放学后，他总是飞一般地跑到父亲的作坊去，看老师傅们用灵巧的双手制造出一个个精美的模型。
10月，瓦特从伦敦学艺归来后，在格拉斯哥大学任职。1764年，格拉斯哥大学的的纽可门蒸汽机模型坏了。这是当时世界上最先进的蒸汽机模型，送到伦敦请名匠修理也未修好。后来修复这台蒸汽机的任务就落在了瓦特身上。瓦特很快就修好了这台机器。之后，他又对这台蒸汽机模型进行了深入的研究并向人虚心求教。刻苦的钻研加上扎实的基础使瓦特终于找到了纽可门蒸汽机耗煤量大、效率低的原因。瓦特发现纽可门的蒸汽机在运作时，蒸汽不但在汽缸中膨胀作功，还在里面冷凝，汽缸兼冷凝器这种一身二任的构造，使机器的性能和效率受到严重的影响。汽缸一会儿被加热，一会儿被冷却，大量的热能就被白白浪费了。
瓦特根据潜热原理，计算出了燃煤量与产生蒸汽量的比例关系，并研究出这些蒸汽用于作功的只有25％，其余的75％白白被损耗掉了。蒸汽机内应该有冷热两个容器，让一个容器始终是冷的，负责使蒸气冷凝，产生真空；而让汽缸始终是热的，负责作功。这一设想产生后，他就开始了自己的研究之路。
5月，瓦特的研究有了突破性的进展。经过多次试验和失败，瓦特终于在汽缸的外面单独设置了一个蒸汽冷凝器，做成了一台可供实用的单作用式蒸汽机。1769年1月5日，瓦特的"降低火机的蒸汽和燃料消耗量的新方法"通过了科技发明专利认证。
此后，瓦特又对自己发明的蒸汽机不断进行改良，使之性能越来越好。瓦特的蒸汽机还和英国锻工纽可门发明的蒸汽机进行比赛，看哪种机器性能更好。比赛结果表明，瓦特蒸汽机的效率是纽可门蒸汽机的5倍多。于是瓦特蒸汽机得到了推广。
瓦特的研究并没有在此止步，在吸取了德国人洛伊波尔德提出的利用排气阀使气缸连续往复运动的原理的基础上，他成功研制了双作用式蒸汽机。但是瓦特在申请使活塞的往复运动变为旋转运动的曲柄连杆结构的专利时，由于技术泄漏，这一专利被皮卡德抢先申请了。瓦特只能另想别的方案。经过反复实践，瓦特用缩放仪的原理，又研制出了使往复运动变为圆周运动的行星齿轮机构。并于1781年10月取得了双作用蒸汽机的专利权。
瓦特又利用飞轮解决了转动的稳定性问题，取得了第三个专利。1784年是瓦特收益丰厚的一年，这一年里，他取得了四个专利，他研制出了带气泵的凝气机和使活塞平行运动的四连杆机构等，使蒸汽机的配汽结构又得到了改进。1788年，瓦特又发明了能控制进气阀的开启程度的离心调速器，从而使蒸汽机的运行速度得到了控制，1790年又发明了压力表。从此蒸汽机臻于完善。
蒸汽机诞生后，英国迅速兴起了工业革命，美国、德国、法国等也纷纷跟上。这场革命影响之大，波及面之广是前所未有的。以瓦特蒸汽机为基础，美国的富尔顿1807年发明了火轮船，英国的史蒂文森1814年发明了火车头，使人类的生产力水平得到了前所未有的飞跃。
瓦特发明了近代蒸汽机，设计出多种改进方案，在蒸汽机的发展上做出了杰出的贡献，因此尊称他为蒸汽机的发明人。