«Это было около Глазго, — вспоминает он в своих записках о создании паровой машины. — Я вышел на прогулку около полудня. Был прекрасный день. Я проходил мимо старой прачешной, думая о машине, и подошел к дому Герда, когда мне пришла в голову мысль, что пар ведь упругое тело и легко устремляется в пустоту. Если установить связь между цилиндром и сосудом с разреженным воздухом, то пар устремится туда и цилиндр не надо будет охлаждать. Я не дошел еще до Голфгауса, когда все дело уже было кончено у меня в уме».
Действительно, как только Уатт пришел к идее отдельного конденсатора, все дальнейшие усовершенствования вытекали из нее, следуя одно за другим. Построенная нм модель была уже не атмосферной машиной, а паровой: поршень опускался вниз не силою атмосферного давления, а силою расширяющегося пара, который впускался в пространство над поршнем. Нижний конец цилиндра соединен был с отдельным конденсатором, стенки которого охлаждались водою. Впущенный в верхнюю часть цилиндра пар, расширяясь, гнал поршень вниз и устремлялся через отверстие в конденсатор, после чего поршень под влиянием противовеса балансира подымался вверх. Эта паровая машина «простого действия» получила широкое распространение. Затем Уатт переработал ее в машину «двойного действия»: пар поочередно стал впускаться то по одну, то по другую сторону поршня и машина стала иметь два рабочих хода: и вниз, и вверх, а не один — вниз, как было раньше. К этой машине двойного действия Уатт добавил кривошипный механизм, путем которого прямолинейно-возвратное движение поршня превращалось во вращательное движение махового колеса.
Так появился на свет универсальный двигатель, который можно было применять повсюду, где нужна была движущая сила. Это было то, в чем, как в воздухе, нуждалась развивавшаяся промышленность: она уже имела целый ряд всяких исполнительных, рабочих машин, непосредственно заменявших труд человека. Были ткацкие, прядильные станки, мельницы, лесопильные машины. Не хватало только двигателя, машины, которая бы их приводила в действие. Водяные колеса, сила животного, рабочие руки — все это уж не могло удовлетворить потребностей нарождавшихся фабрик и заводов.
Первая машина простого действия Уатта была построена и поставлена на предприятии Робека в Ферз-ов-Форзе на реке Карроне. Однако, она оказалась недостаточно удовлетворительной по своему действию. Патент на новоизобретенную паровую машину был получен Уаттом 5 января 1769 года. Второй патент, на усовершенствованную машину двойного действия, Уатт получил 28 апреля 1784 года.
Накапливая одновременно и теоретические знания и практический опыт, поддержанный английскими предпринимателями — Робеком, а затем Болтоном, Уатт в результате многих лет работы преодолел все трудности и представил изумленному миру свой универсальный двигатель.
Всемирно-историческое значение Уатта объяснено Марксом в следующих словах:
«Только с изобретением второй машины Уатта, так называемой паровой машины двойного действия, был найден первый мотор, который, потребляя уголь и воду, сам производит двигательную силу и действия которого всецело находятся под контролем человека. Двигатель и сам средство передвижения; он позволяет концентрировать производство в городах вместо того, чтобы рассеивать его в деревне. Он универсален по своему техническому применению и сравнительно мало зависит в своем местопребывании от тех или иных локальных условий. Великий гений Уатта обнаруживается в том, что патент, взятый им в апреле 1784 года, давая описание паровой машины, изображает ее не как изобретение лишь для особых целей, но как универсальный двигатель крупной промышленности».
Паровой двигатель был интернациональным изобретением. В его создании участвовали изобретатели целого ряда стран. «Паровая машина, — говорит Фр. Энгельс, — была первым действительно интернациональным открытием, и факт этот, в свою очередь, свидетельствует об огромном историческом прогрессе. Паровую машину изобрел француз Папен, но в Германии немец Лейбниц, рассыпая вокруг себя, как всегда, гениальные идеи, без заботы о том, припишут ли заслугу этого ему или другому, — Лейбниц, как мы знаем теперь из переписки Папена (изданной Герляндтом), подсказал ему основную идею этой машины — применение цилиндра и поршня. Вскоре после этого англичане Сэвери и Ньюкомен придумали подобные же машины; наконец, их земляк Уатт, введя отдельный конденсатор, придал паровой машине в принципе ее современный вид. Круговорот закончился: удалось достигнуть превращения теплоты в механическое движение. Все дальнейшее было только улучшением деталей».
Первые же опыты создания парового двигателя сопровождались попытками применить его для транспорта на воде и суше. Еще в 1757 году, когда Уатт и не думал о паровом двигателе, студент Робисон, приятель Уатта, предлагал ему заняться осуществлением своего проекта паровой повозки. Все же первый экипаж с паровым двигателем суждено было построить не Уатту и даже не англичанину.