Watt-motorn
Under reparation av en Newcomen-ångmotor 1764 var Watt imponerad av ångsvinnet. I maj 1765, efter att ha brottats med problemet med att förbättra det, kom han plötsligt fram till en lösning – den separata kondensorn, hans första och största uppfinning. Watt hade insett att förlusten av latent värme (värmen som är förknippad med att ändra ett ämnes tillstånd – t.ex. fast eller flytande) var den värsta defekten i Newcomen-motorn och att kondens därför måste ske i en kammare som skiljer sig från cylindern men ansluten till den. Kort därefter träffade han den brittiska läkaren, kemisten och uppfinnaren John Roebuck, grundaren av Carron Works, som uppmanade honom att göra en motor. Han ingick partnerskap med honom 1768, efter att ha gjort en liten testmotor med hjälp av lån från Joseph Black. Året därpå tog Watt ut det berömda patentet för ”En ny uppfunnen metod för att minska förbrukningen av ånga och bränsle i brandmotorer.”
Under tiden blev Watt 1766 en landmätare; under de närmaste åtta åren var han kontinuerligt upptagen med att markera rutter för kanaler i Skottland, arbete som hindrade honom från att göra ytterligare framsteg med ångmotorn. Efter att Roebuck gick i konkurs 1772, tog den engelska tillverkaren och ingenjören Matthew Boulton, tillverkaren av Soho Works i Birmingham, över en andel i Watts patent. Uttråkad av kartläggning och med Skottland, immigrerade Watt till Birmingham 1774.
Efter att Watts patent förlängdes genom en parlamentarisk lag inledde han och Boulton 1775 ett partnerskap som varade i 25 år. Boultons ekonomiska stöd möjliggjorde snabba framsteg med motorn. År 1776 installerades två motorer – den ena för att pumpa vatten i en Staffordshire-bergplats, den andra för att blåsa luft in i ugnarna till den brittiska industrimannen John Wilkinson, den berömda järnmästaren. Det året gifte sig Watt igen; hans andra fru, Ann MacGregor, födde honom ytterligare två barn.
Under de kommande fem åren, fram till 1781, tillbringade Watt långa perioder i Cornwall, där han installerade och övervakade många pumpmotorer för koppar- och tennminorna. vars chefer ville sänka bränslekostnaderna. Watt, som inte var någon affärsman, var tvungen att uthärda fina förhandlingar för att få tillräckliga royalties på de nya motorerna. År 1780 gjorde han det bra ekonomiskt, även om Boulton fortfarande hade problem med att skaffa kapital. Året därpå uppmanade Boulton, som förutsåg en ny marknad inom majs-, malt- och bomullsbruk, Watt att uppfinna en roterande rörelse för ångmotorn för att ersätta originalets fram- och återgående verkan. Han gjorde det 1781 med sitt så kallade sol- och planetväxel, med hjälp av vilket en axel producerade två varv för varje motorcykel. År 1782, på höjden av hans uppfinningsrika krafter, patenterade han den dubbelverkande motorn, i vilken kolven tryckte såväl som drog. Motorn krävde en ny metod för att rigid ansluta kolven till balken. Han löste problemet 1784 med sin uppfinning av den parallella rörelsen – ett arrangemang av anslutna stavar som styr kolvstången i en vinkelrät rörelse – som han beskrev som ”en av de mest geniala, enkla mekanismer jag har konstruerat.” Fyra år senare gjorde hans ansökan av centrifugalregulatorn för automatisk kontroll av motorns hastighet, efter Boultons förslag, och 1790 hans uppfinning av en tryckmätare nästan Watt-motorn.