1736年，瓦特出生在英国苏格兰格拉斯哥市附近的一个小镇格里诺克，他的父亲是一个经验丰富的木匠，祖父和叔父都是机械工匠。

少年时代的瓦特，由于家境贫苦和体弱多病，没有受到完整的正规教育。

他曾经就读于格里诺克的文法学校，数学成绩特别优秀，但没有毕业就退学了。

但是，他在父母的教导下，一直坚持自学，很早就对物理和数学产生了兴趣。

瓦特从6岁开始学习几何学，到15岁时就学完了《物理学原理》等书籍。

他常常自己动手修理和制作起重机、滑车和一些航海器械。

1753年，瓦特到格拉斯哥市当徒工。

由于收入过低不能维持生活，第二年他又到伦敦的一家仪表修理厂当徒工。

凭借着自己的勤奋好学，他很快学会了制造那些难度较高的仪器。

但是繁重的劳动和艰苦的生活损害了他的健康，一年后，他不得不回家休养。

一年的学徒生活使他饱尝辛酸，也使他练就了精湛的手艺，培养了他坚韧的个性。

1756年，当他的身体稍有好转，瓦特再次踏上了坎坷的道路来到格拉斯哥市。

他想当一名修造仪器的工人，但是因为他的手艺没有满师，当时的行会不允许。

幸运的是，瓦特的才能引起了格拉斯哥大学教授台克的重视。

在他的介绍下，瓦特进入格拉斯哥大学当了教学仪器的工人。

这所学校拥有当时较为完善的仪器设备，这使瓦特在修理仪器时认识了先进的技术，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，开始收集有关资料，还为此学会了意大利文和德文。

在大学里，他认识了化学家约瑟夫&iddot;布莱克和约翰&iddot;鲁宾逊等。

瓦特从他们那里学到了很多科学理论知识。

瓦特在大学修理仪器期间，学校曾经把一台旧式的纽可门蒸汽机交给他修理。

他通过大量实验以及根据格拉斯哥大学教授布莱克提出的潜热、比热理论进行分析，对旧式蒸汽机进行深入研究，找出了旧式机器效率低的主要原因。

针对旧式蒸汽机的缺陷，瓦特提出了减少蒸汽消耗，提高热机效率的两项措施。

他决心自己制造一台新的蒸汽机，来改进旧机器的不足。

瓦特自筹资金，租了间地下室，买了必要的设备，反复实验，经历了无数次挫折和失败，在工人的帮助下，终于发明了与汽缸分离的冷凝器，解决了制造精密汽缸、活塞的工艺问题，同时采用油润滑活塞，汽缸外附加绝热层等措施，制成单动作蒸汽机。

后经继续试验，瓦特又在1782年发明了具有连杆、飞轮和离心调速器的双动作蒸汽机，制成了新的可实用的蒸汽机。

这种双动作式蒸汽机，把阀门安装成可利用蒸汽的压力来推动活塞，既可向前又可向后，并借助连杆和飞轮把活塞的直线运动变成了圆周运动。

为了保持蒸汽机的匀速运转，他把一个离心调速器连接在进气活门上，使其自动调节进气量。

这种装置是最早在技术上使用的自动控制器。

他设计了一个和汽缸分离的冷凝器，将高温蒸汽从汽缸中导出并冷却，使得主要汽缸能保持一定温度。

同时他提高了汽缸的精密度，把活塞和阀门也做得光滑、严密。

从而比纽科门蒸汽机大大提高了热效率和可靠性。

由于这种蒸汽机把往复的直线运动变成为连续而均匀的圆周运动，因而可以经过传动装置带动一切机器运转，成为能普遍用于工业和交通运输业的&ldo;万能动力机&rdo;。

这种高效率的蒸汽机很快取代了旧式的蒸汽机，被各工业部门迅速采用。