詹姆斯·瓦特1736年出生于英国格拉斯哥市附近的一个小镇，他的祖父曾经是一位教师，教授数学、测量学和航海学，父亲原来是个造船技术工人。后来自己经营过造船业和建筑业，做过仪器制造家和商人，还曾经一度担任过小镇的地方行政官。耳濡目染，瓦特从幼年起就随父亲学习各种手艺。他心灵手巧，从小接触和了解了不少技术方面的知识，并养成了一种独立思考和探索奥秘的兴趣和习惯。他的家庭环境对他日后攀登技术高峰起到了一定的作用。
瓦特从小身体虚弱，到了入学年龄，仍不能去上学。过了入学年龄好几年，他才到镇上的学校学习。在学校里，他不喜欢与小朋友们打闹，只爱独自沉思默想。
在瓦特的故乡的小镇于上，家家户户都是生火烧水做饭。对这种司空见惯的事，有谁留过心呢？瓦特就留了心。他在厨房里看祖母做饭。灶上坐着一壶开水。开水在沸腾。壶盖啪啪啪地作响，不停地往上跳动。瓦特观察好半天，感到很奇怪，猜不透这是什么缘故，就问祖母说：什么玩意使壶盖跳动呢祖母回答说：“水开了，所以就会这样。”小瓦特并没有满足，又追问：为什么水开了壶盖就跳动？是什么东西推动它吗可是祖母太忙了，没有工夫答对他，便不耐烦地说：“不知道。小孩子刨根问底地问这些有什么意思呢。”瓦特在他祖母那里不但没有找到答案，可他并不灰心。
连续几天，每当做饭时，他就蹲在火炉旁边细心地观察着。起初，壶盖很安稳，隔了一会儿，水要开了，发出哗哗的响声。突然，壶里的水蒸气冒出来，推动壶盖跳动了。蒸汽不住地往上冒，壶盖也不停地跳动着，好像里边藏着个魔术师，在变戏法似的。瓦特高兴了，几乎叫出声来，他把壶盖揭开盖上，盖上又揭开，反复验证。他还把杯子、调羹遮在水蒸气喷出的地方。瓦特终于弄清楚了，是水蒸气推动壶盖跳动，这水蒸气的力量还真不小呢。
接下来，小男孩就想，既然蒸汽能把壶盖顶开，那么，更多的蒸汽也能拉动马车喽。他在那儿想啊想啊，直到壶里的水都烧干了，他还沉浸在用蒸汽拉动马车的想象中。正是这种好奇心和寻根问底的精神，后来引导他去努力探索世界的种种奥秘，攀登科学的高峰。这个男孩长大后果然发明了蒸汽机。
这个广为人知的、蒸汽机发明的故事虽然看起来神奇而简单，但其实，它并不是那么容易的。
在研究蒸汽机之前，瓦特一直在工厂里当修理工。他的聪明好学和才能引起了大学教授台克的重视，在台克的帮助下，进入格拉斯哥大学当了教学仪器的修理工。在大学里，他认识了化学家约瑟夫。布莱克和约翰·鲁宾孙，从他们那里学到了很多科学理论知识，开阔了眼界。这时，他对以蒸汽作动力的机械产生了浓厚的兴趣。
学校请瓦特修理一台纽康门蒸汽机的教学模型，在修理过程中他发现纽康门蒸汽机的活塞动作不仅不连续而且缓慢，蒸汽利用率低，浪费原料。此后，瓦特便开始研究如何提高纽康门蒸汽机效率的问题。直到1765年的春天，在一次散步时，瓦特突然产生了采用分离冷凝器的设想，并且制作出了几台样机。但实践的效果却并不成功，而且巨大的耗费也让瓦特债台高筑。但他并没有在困难面前退缩，继续进行试验。后来，幸运的瓦特遇到了他的伯乐——企业家约翰·罗巴克。他慷慨的帮助瓦特解决了经费和场地问题。
经过3年多的时间，瓦特克服了各方面的困难，终于在1769年成功制出了第一台带有冷凝器的蒸汽机，并且申请了专利。但最初由于这种机器并不十分理想，销路不佳。瓦特又陆续改进了蒸汽机的各种功能：他研制出齿轮联动装置，这种名为“太阳和行星”齿轮把活塞的往返直线运动转变为齿轮的旋转运动，从而使蒸汽机成为可供普遍使用的动力机。接下来，瓦特对蒸汽机所作的改进是将上下运动的活塞杆与作圆弧运动的部件——摇臂横杆的一端连在一起。
从最初接触蒸汽技术到瓦特蒸汽机研制成功，瓦特走过了20多年的艰难历程。虽然屡遭失败，但他仍然坚持不懈的进行研究，终于完成了纽康门蒸汽机的革新，使蒸汽机得到了更广泛的应用，成为改造世界的动力。
1784年4月，英国政府授予瓦特以制造蒸汽机的专利证书。马克思曾经评论说：瓦特的伟大天才表现在他所取得的专利的说明书中，他没有把自己的蒸汽机说成是一种用于特殊目的的发明，而是把它说成是大工业普遍应用的发动机。
瓦特在英国和欧洲大陆各国的学术界和科学界享有崇高的地位。1784年他成为爱丁堡皇家学会的会员，1785年又成为伦敦皇家学会的会员。1808年，他成为法兰西学士院的成员，1814年，他又被选为法国科学院的8名外籍院士之一。各国科学界都承认瓦特是他们之中最著名的一员。
事实上，利用蒸汽机产生能量的梦想自古就有。公元50年，希腊发明家希罗就曾经设计了一种蒸汽机——一种原始的球星汽轮机，带有两个喷气嘴。希罗认为他发明的这一机器只是一种新奇的装置，而不是一种有用的工具。它也没有广泛的运用到人们的生活中去。
直到18世纪中叶，在瓦特蒸汽机发明之前，几乎所有的机械都还是水力、风力和人力来驱动的，可是瓦特蒸汽机出现了，带来了一个生机勃勃的时代。
最初，蒸汽机是当做水泵来使用，用以排干矿井里的积水。直到瓦特在1784年制造了可驱动轮子的蒸汽机，才使得整个工业真正得以快马加鞭。瓦特一系列的发明，直接影响了欧洲的工业革命，整个世界也随之发生了巨大的变化。
在瓦特的讣告中，对他发明的蒸汽机有这样的赞颂：
“它武装了人类，使虚弱无力的双手变得力大无穷，健全了人类的大脑以处理一切难题。它为机械动力在未来创造奇迹打下了坚实的基础，将有助并报偿后代的劳动。”这是毫不夸张的赞颂。