瓦特发现这台发动机模型耗费的蒸汽如此之多，以至超出了那只使之运转的小锅炉的能力，而一次只能完成几个冲程而已。他决心要找出造成这种状况的原因，而他解决这个问题的方式与前人相比，则要根本得多，科学得多。在此之前，德萨古列斯并没有对如此过度耗费蒸汽这一问题给瓦特提供过完整的答案，但他意识到在做深入研究之前，他必须从已知的常数中确定某些测量的基础。在大气压力下，一定数量的水能产生多少数量的蒸汽？而要蒸发这样数量的水又需要多少热量？并且在产生了这样数量的蒸汽之后，又需要多少冷水才能使蒸汽冷凝还原为水？
瓦特的第一次试验是用一把水壶，从壶嘴上接一根管子，通进一个带刻度的并盛有冷水的烧瓶里。然后，他把水壶里的水烧开，直到烧瓶里的水的温度达到沸点，此时就再也没有一点蒸汽会冷凝了。他注意到烧瓶里的水的数量已增加了1/6，这便是蒸汽冷凝下来的水。由此他做出了正确的推算：如果要把水变成蒸汽，那么在水达到沸点时，它就能比原来它本身的体积增加6倍。然后，他又把这一结果转换成温度的形式，他的办法是把1克水从零摄氏度提高到100摄氏度所需要的热量，作为100个热量单位。试验开始的时候，烧瓶里冷水的温度是11摄氏度，因此要把这1克水的温度提高到沸点，就需要89个热量单位。然而，这项试验却表明：从水壶里出来的蒸汽，能够将与其等量水的温度提高到沸点，并使其体积增加6倍，其结果是所耗费的热量单位为534个。瓦特无法对这现象做出解释。
瓦特想到解决的办法，是在偶然的机会里，一个星期天下午散步时产生了灵感。
那是一个美丽的四处漫溢草香的1765年5月。和风徐来，吹动格拉斯哥草地上的低矮丛林。这是一块河边的广阔草地，羊群在这儿啃食青草。洗衣妇们都在这儿晒床单。工作之余，大家也都来这儿沿着河岸散步，并且享受新鲜的空气。由于苏格兰严格规定星期天不准工作，于是瓦特会穿上他星期天的最佳行头，离开他的工作台，和其他人一样，来到河边草地呼吸新鲜空气。
“我走过那家老洗衣房，然后又通过夏洛特街尽头的大门，进入了这个公园。当时，我正思考着那台发动机的问题。当走到赫德剧场时，有一个想法浮现在我的脑海里：由于蒸汽是一种具有弹性的物体，因此，凡是有真空的地方，它就无孔不入；如果在汽缸和排气室之间有一条通道的话，那么蒸汽就会涌进这个排汽室里，并且可能在那里冷凝而不需要冷却汽缸。然后我又领会到，如果我使用一个像纽可门式的发动机上的那种喷嘴，我就准能解决冷凝蒸汽和注水的问题。为了做到这一点，我想到了两条途径：其一，如果能制成一条向下延伸三十五六英尺长的排水管，那么水就可以从这条管道流走，而所有的空气则可由一个小气泵抽出；其二，制造一个大到足以把水和空气一起抽走的泵……当我还未走过高尔夫球场的时候，对这件事情的整个安排便已经胸有成竹了。”
瓦特的这一重大构思就这样形成了，他急得手指发痒，跃跃欲试，想先搞出模型来，可是出于对苏格兰安息日的考虑，他不能马上就到他那个靠近牛肉市场尽头的一个小院中的小作坊里去——这个小作坊就是他当时进行试验工作的地方。第二天，他便开始动手制造了一个装置，尽管这个装置设计简单、制作粗糙，但却能够使他对他的新理论进行检验。
他首先是往冷凝器里倒冷水。只要临时去掉气泵缸上的活塞，就能够做到这一点。然后，他使蒸汽通过一条管子以及与汽缸顶部相连接的管子注入汽缸，里面要排除的空气便从冷凝器顶上一个简单的单向阀泄出。当蒸汽开始从这个阀门喷出时，就表明汽缸里已经充满了蒸汽。于是关闭蒸汽开关，气泵活塞便升起，在冷凝器里造成部分真空。这就使得蒸汽从汽缸进入了冷凝器，并在这里通过冷却，水得到冷凝，这样就在活塞上部的汽缸里造成了真空。由于在蒸汽缸套里处于大气压下的蒸汽是与活塞下面的汽缸相通的，所以必然会把活塞推向汽缸顶部。当蒸汽再次进入汽缸顶部时，活塞两面的压力便均衡了，结果，加在活塞杆上的重压就会使活塞再次返回底部。于是，这种循环就又开始了。
显然，这个小模型用这种方式只能运转几个冲程而已，因为冷凝器里的水很快就会变得太热，从而无法使蒸汽有效地冷凝下来。不过这运转几个冲程，就足以向这位欢欣鼓舞的发明家证明：他的设想是行得通的，他使两种看来互相对立的条件一致起来，即既要保持汽缸的恒热，又要在汽缸里造成有效的真空。
瓦特在证实了自己的观点之后，他的当务之急便是设计和制造一个高效率的冷凝器。蒸汽冷凝器有两种：一种是喷射型的，另一种是表面型的。纽可门运用的是喷射原理，他采取喷洒冷却水的办法，使发动机的汽缸里的蒸汽冷凝。表面型冷凝器原理，是给进入的蒸汽提供最大的冷却面积。它除了冷凝的是蒸汽而不是冷却水之外，其他的功能和设计都与汽车上的散热器类似。
瓦特采用了喷射式冷凝器，然而，他最初试验的却是表面型冷凝器，它是用马口铁皮焊成一些小桶，在小桶上安装着小圆管或狭长形的槽，冷水可以通过它们而循环流动。这就是瓦特最早发明的分离式冷凝器。
这期间，瓦特非常兴奋和自信，以为他的发明成功了，从他对朋友罗比森的讲话中可以看出：“老兄，你就用不着再操这份心了；我现在已经制成了一台一点蒸汽都不会浪费的发动机了。它将全部沸腾发热，咳，要是我高兴的话，还可以注进热水。”
瓦特高兴太早了，他虽然已经取得了重大的发现，但是他所提到的那台发动机，只不过是一个并不完美而且粗糙的玩具而已，它仅适于说明一个理论罢了。要将这个玩具变成一台大功率的、实用的机器，还需要很多年的时间。瓦特在这段充满了困难、沮丧和挫折的岁月里需要从他的朋友那里得到一切帮助和鼓励。寻求资本支持从设想到现实之间，有着漫长而艰险的道路。瓦特经过无数次的科学实验后，极力想寻求一位既有商业头脑，又有经济实力的人合作，把他的蒸汽机推向市场。
如果说“科学”是发明之母，那么“资本”就应该是发明之父了。
瓦特由于专心于发明，店里的生意也清淡了，他在数学仪器上所赚的钱都用光。此外向迪克博士所借的钱也有1000英镑了，可是瓦特的蒸汽机械还没有完全成功，为了新装置的实验，还得用上一笔庞大的费用，这笔钱由谁出呢？
有一天，迪克博士对瓦特说：“对于你的发明，只要我能做得到的，绝对给予帮助，但可惜的是，我已经没有资本了。”
“我只是对你感到不好意思……”瓦特感激而歉疚地说。
“这样吧，你认不认识罗伯克博士？”迪克博士打断了瓦特的话问。
“哦！就是那位有名的化学学者……”瓦特说。
“是的，我跟他很熟，他是一个了不起的实业家，慷慨而且不畏困难，我想，作为你发明的支持者，决没有比他更适合的人了！”迪克博士兴奋地说。
罗伯克是一家名叫加伦铁工厂的创始人，有着雄厚的资本。那个时候，他正在从事煤矿事业，所以非常关心煤坑内的排水问题。
这是一个多么难得的机会啊！
由于迪克博士的介绍，罗伯克与瓦特建立了合作关系。
瓦特高兴得马上着手实验新的模型，直至新的模型也试验成功。
“这样准没有问题了，马上去申请专利吧！”
瓦特就在那年的8月，到伦敦去申请专利。
之后，1769年初，瓦特的蒸汽机的专利被批准下来。
那时瓦特已经33岁了，从最初开始实验起，足足费了将近10年的悠长岁月。这10年间，瓦特忍受经济上的压力，承担着生活上的困苦，碰到了许多困难和挫折，但是他并不气馁。因为他深深地知道，这种新机器将是伟大而有用的发明。
他决定在罗伯克的一所大房子里进行新机器的改进和制造。那座房子位于山谷中的小河边，用水方便，而且不被人注意。
材料方面，一部分从格拉斯哥的瓦特工作室运来，另一部分则从加伦铁工厂运来。
可是，由于工人技术不熟练的缘故，工作进行得非常缓慢。
1769年9月，花了6个月的时间，好不容易才把第一台机器完成了。
但瓦特的第一台蒸汽机并不成功。
凝结器的作用不大好，加伦铁工厂所送的气筒，也因铸造不良，根本不能使用。最大的困难在于保持活塞的紧密，瓦特把软木、油布、麻布、旧帽子、牛皮纸，统统用来包活塞。但是蒸汽照样漏出来。那些方法一点用处也没有。瓦特十分灰心。
他的朋友鲁宾逊写信来鼓励他：“这次的失败，过错并不在你的发明，这完全是工厂的制造技术太差的缘故。只要有可靠的工人，一定会成功的。”
瓦特这才鼓起勇气，打算重新开始。而这时，支持他的罗伯克却因做生意赔了钱，不能再资助他了。
瓦特不由叹息自己：“我现在已经35岁了，在这个世界上，所做的事恐怕还不值35个便士呢！”
其实瓦特的这种悲叹，只是过度地热衷于发明的一种感慨而已，并非是真正的失望。
瓦特具有一种绝不后退的意志，在研究蒸汽机械期间他还从事着其他方面的研究和发明呢！
但是，这种多方面的研究或发明，在金钱上根本就得不到什么报酬。
发明家陷入了真正的困境。他不得不去从事一些测量师、工程师的工作来维持家庭的生计。
偏偏这时候，他的妻子也因生病离开了人世。瓦特坠入了人生的最低谷。但他却仍然热心地从事蒸汽机的研究，因为，这才是他的人生目标。
功夫不负有心人，瓦特的艰苦努力终于引起了一个大事业家的注意。
他是罗伯克的朋友博尔顿，他接替了罗伯克的位置与瓦特合作，使得瓦特终于有机会再一次制造他的蒸汽机。如果说博尔顿把具有发明创造天才的瓦特，看成是一棵取之不尽的“摇钱树”的话，那么，瓦特则把具有商业头脑和开拓精神的博尔顿，比作为能够点石成金的“魔术师”。这一对伙伴的结合，注定了他们会取得丰硕的成果。
是的，有了千里马，还需要遇到伯乐。否则，再好的神马，也只能老死荒漠，一事无成。现在可喜的是，瓦特这匹千里马，已被博尔顿这位伯乐发现。只是把这匹千里马弄到手，还需要经过耐心的等待。对于瓦特来说，眼前也还有一段漫长曲折的路要走。
在1769年前几个月内写给威廉·斯莫尔的一些信件中，瓦特屡次抱怨缺乏进展和健康情况不佳，这表明他确实意志消沉，但事实上，这一时期他已经在三个方面取得了一定的进展。罗伯克答应了给马修·博尔顿为斯塔福德、沃里克和德比三郡制造蒸汽发动机的权利；1月5已向瓦特颁发了具有历史意义的蒸汽发动机专利证书，并且决定从卡伦炼铁厂里挑选几名协助人员在金内尔公馆后面一间屋里，建造一台大型的瓦特式发动机。
无论是在1769年春夏之际在金内尔制造这台发动机的过程中，还是在9月完工后紧接着的试转过程中，都充满了对粗糙工艺缺陷无休止的争斗。瓦特曾对铁匠工作的低劣质量怨声不绝，但又一次感到最难办的事情，仍然是制造安装在18英寸汽缸里的那个活塞。成败在此一举。除了他常用的那种特制胶纸板之外，瓦特还用过软木和其他材料作为活塞的衬垫，但是所有这些材料，都只能经受几个冲程而已。在人们懂得了汽缸筒必须是椭圆形的这一道理时，这也就没有什么可惊奇的了。后来，他又试图采取在活塞上部油封的办法来改进这种情况，他安装了一个小油泵，把通过活塞流到汽缸底部的油，送回汽缸的顶部。但是，他所能够取得的油只不过是在蒸汽作用下乳化了的，用瓦特自己的话来说，变成了“白色浓粘胶状”的东西。这种乳胶不能起到封闭的作用，而且还会堵塞泵筒并流到冷凝器里去。瓦特把这件事和有关这些试验的许多情况通过信件都告诉了斯莫尔，而斯莫尔又肯定会转告博尔顿。从博尔顿所表达的意见来看，瓦特的这些困难并不使他感到意外。
瓦特在金内尔进行这项工作期间，时而信心百倍，时而沮丧失望，情绪在两个对立的极端之间波动。斯莫尔为了鼓起他朋友的勇气继续前进，曾把伦敦的一位亚麻布商人取得了一种蒸汽车的发明专利权的消息告诉了他，瓦特当时反驳说：“如果亚麻布商人穆尔不用我的发动机来驾驶他的四轮车，那他就不可能是用蒸汽发动机来驱动的；如果他真用了，我就要加以制止。我猜想他由于进展迅速，自鸣得意，过分轻浮，因而是危险的。”
然而，他不久却用大不相同的口吻说道：
“我遇到了很多扫兴的事情。如果没有罗伯克博士的支持，那我一定会因此受到压抑而消沉的。现在，我这台发动机已接近于完工；但是我却不像4年前那样，接近于我所希望得到的消息。在人生一切事情中，没有比搞发明创造更愚蠢的了。”
很显然，罗伯克在经济上的支持，并不像他所预期的那样慷慨，他仍然坚信博尔顿能被说服成为这个项目的合伙人。
