1764年，瓦特在修理一台牛考门蒸汽机时，就对这种机器发生了兴趣。瓦特所做的第一项重大革新就是增加一个独立的凝汽室，并于1769年获得专利权。他还使蒸汽缸与外界绝缘，又于1782年发明了双动发动机。连同一些较小的革新一起，这些发明使蒸汽机的效率至少提高了四倍。1781年，瓦特还发明了一套齿轮，从而使蒸汽机的往复运动变换成为旋转运动，这套齿轮使蒸汽机的用途更加广泛。瓦特又发明了自动调节蒸汽机运转速度的离心式调速器（1788年）、压力计（1790年）、计数器、示功器、节流阀以及许多其他仪器。
瓦特本人没有很好的经商头脑。但是他在1775年同一个非常能干的商人、工程师马娄·布尔顿合股成立了瓦特—布尔顿公司。该公司生产了大量的蒸汽机，他们俩也都成了富翁。
1800年，瓦特的专利与布尔顿的合作到期，他于同年退休。但他们的合作延续到下一代，马修·布尔顿与小詹姆斯·瓦特继续合作，同时吸收了威廉·默多克为合伙人，保证了公司的持续成功。