A Watt-motor
Míg 1764-ben egy Newcomen gőzgépet javítottak, Wattot lenyűgözte a gőzpazarlása. 1765 májusában, miután küzdött a fejlesztésének problémájával, hirtelen megoldásra talált – a külön kondenzátorra, az első és legnagyobb találmányára. Watt rájött, hogy a látens hőveszteség (az anyag – például szilárd vagy folyékony) állapotának megváltoztatásában bekövetkező hőveszteség volt a Newcomen motor legsúlyosabb hibája, és ezért a kondenzációt a hengertől eltérő kamrában kell végrehajtani, de kapcsolódik hozzá. Nem sokkal később találkozott John Roebuck brit orvossal, kémikussal és feltalálóval, a Carron Works alapítójával, aki motorgyártásra szólította fel. 1768-ban lépett kapcsolatba vele, miután egy kis tesztmotort készített Fekete József kölcsönök segítségével. A következő évben Watt megkapta az “Új feltalált módszer a tűz- és üzemanyag-fogyasztás csökkentésére a tűzoltó motorokban” című híres szabadalmat.
Eközben Watt 1766-ban földmérő lett; a következő nyolc évben folyamatosan foglalkoztatta a csatornák nyomvonalainak kijelölését Skóciában, ami megakadályozta a gőzgép további fejlődését. Miután Roebuck 1772-ben csődbe ment, Matthew Boulton angol gyártó és mérnök, a birminghami Soho Works gyártója átvette a részét Watt szabadalmában. Unatkozik a felmérésből és Skóciából, Watt 1774-ben Birminghambe vándorolt.
Miután Watt szabadalmát meghosszabbították a parlamenti aktussal, 1775-ben Boulton és ő 25 évig tartó partnerségbe kezdtek. Boulton pénzügyi támogatása lehetővé tette a motor gyors előrehaladását. 1776-ban két motort telepítettek – az egyik a víz szivattyúzására a Staffordshire-i kollégiumban, a másik a levegő befúvására John Wilkinson brit iparos, a híres vasmester kemencéibe. Abban az évben Watt újra férjhez ment; második felesége, Ann MacGregor még két gyermeket szült neki.
A következő öt évben, 1781-ig, Watt hosszú időszakokat töltött Cornwallban, ahol számos réz- és ónbánya szivattyúmotorját telepítette és felügyelte. , amelynek vezetői csökkenteni akarták az üzemanyagköltségeket. Watt, aki nem volt üzletember, kénytelen volt elviselni az éles tárgyalásokat annak érdekében, hogy megfelelő díjakat szerezzen az új motorokért. 1780-ra anyagilag jól teljesített, bár Boultonnak még mindig voltak problémái a tőkebevonással. A következő évben Boulton a kukorica-, maláta- és gyapotmalmok új piacának előrevetítésével sürgette Watt-ot, hogy találjon ki egy forgó mozgást a gőzgép számára, hogy helyettesítse az eredetit. Ezt 1781-ben úgynevezett nap-bolygó hajtóművével tette meg, amelynek segítségével egy tengely két fordulatszámot produkált a motor minden ciklusához. 1782-ben, feltalálói erejének csúcsán, szabadalmaztatta a kettős működésű motort, amelyben a dugattyú egyszerre tolódott és húzódott. A motorhoz új módszerre volt szükség a dugattyú merev csatlakoztatásához a gerendához. Ezt a problémát 1784-ben oldotta meg a párhuzamos mozgás feltalálásával – összekapcsolt rudak elrendezésével, amelyek merőleges irányban irányították a dugattyúrudat -, amelyet “a mechanizmus egyik legzseniálisabb, legegyszerűbb darabjának találtam”. Négy évvel később Boulton javaslatára a centrifugális kormányzó alkalmazása a motor fordulatszámának automatikus szabályozására, 1790-ben pedig nyomásmérő találmánya gyakorlatilag befejezte a Watt-motort.