Meccanico e ingegnere, oltre che abile progettista e costruttori di strumenti, ideò la macchina a vapore a condensatore separato, punto di partenza della prima rivoluzione industriale.

Tradizione artigiana e contatto con la scienza furono per il giovane Watt valori familiari: il nonno Thomas era stato insegnante di matematica ed il padre James era fornitore navale nei cantieri sul Clyde.

Gli anni della sua formazione si svolsero in un ambiente sociale e in un contesto economico dominati da un lato da Glasgow e dalla sua crescente potenza commerciale, dall'altro dal Clyde che si veniva affermando come uno dei maggiori centri del commercio marittimo britannico.

Watt decise di fare il fabbricante di strumenti scientifici, in particolare strumenti di pressione. Si recò a Londra presso J. Morgan e al ritorno a Glasgow fu nominato 'fabbricante di strumenti di pressione per l'università'; aprì una bottega laboratorio seguita tre anni dopo da una seconda, in società con J. Craig, situata in Saltmmarket.

Nella sua bottega vendeva anche gioielli e ninnoli di metallo.

Nel 1764 sposò una cugina, Margaret Miller, che morì nel 1773 lasciandogli il figlio James junior.

Nel 1776 Watt si risposò con Ann McGrigor, figlia di un tintore di Glasgow, da cui ebbe un maschio, Gregory e una femmina, Janet.

Per aumentare le proprie entrate studiò per diventare ingegnere portuale e sovraintese ai canali dedicando particolare attenzione agli aspetti pratici, costruì diversi nuovi apparecchi di misurazione e di livello, tra cui un telemetro a capello o micrometro.

Il primo contatto di Watt con la macchina a vapore avvenne attraverso la mediazione dell'università. La 'classe di filosofia naturale', usava per compiere i propri esperimenti un modello di una macchina a vapore di T. Newcomen, il modello si guastò e venne affidato a Watt perché lo riparasse.

Da un lato effettuò degli esperimenti per determinare il calore latente di condensazione del vapore e il tasso di evaporazione dell'acqua; dall'altro fece diverse prove con cilindri di legno cercando di trovare nuovi soluzioni meccaniche. I risultati degli esperimenti e delle prove venivano diligentemente annotati su un apposito taccuino.

La prima invenzione di Watt fu quella del condensatore separato che entrò in funzione nel maggio del 1765. Nella macchina di Newcomen il vapore si condensava all'interno del cilindro; nel modello di Watt veniva invece aspirato in un comparto separato dove si condensava.

Grazie a questo accorgimento il cilindro poteva rimanere a temperatura costante e si realizzava così un notevole risparmio di combustibile. Watt applicò una pompa per togliere l'aria e l'acqua di alimentazione nel condensatore, chiuse l'estremità superiore del cilindro impedendone l'accesso all'aria atmosferica; per far abbassare lo stantuffo impiegò il vapore invece della pressione atmosferica, rivestì il cilindro per trattenere il calore e infine progettò un perfezionato sistema di valvole per regolare le comunicazioni tra caldaia, cilindro e condensatore.

Dopo aver costruito alcune macchine di Newcomen in società con R. MacKelly, entrò in contatto, grazie a Black, con J. Roebuck, proprietario di miniere di carbone e di altre varie imprese, fondatore delle ferrovie di Carron, industriale chimico e imprenditore d'avanguardia.

A partire dal 1776 il crescente successo della macchina di Watt si accompagnò a una serie di migliorie e di perfezionamenti.

Le insistenze di Boulton indussero Watt a sviluppare accanto alla macchina alternativa quella rotativa, in grado di fornire il moto rotatorio e continuo necessario per azionare le macchine della nascente industria tessile.

Più tardi Watt brevettò la macchina a doppio effetto, in cui entrambe le corse dello stantuffo fornivano lavoro utile; nella macchina normale lo stantuffo veniva sì spinto in basso dalla pressione di vapore, ma ritornava alla posizione di partenza semplicemente perché veniva sollevato dal bilanciere, alla cui estremità opposta gravava il peso sollevato dalla corsa attiva dello stantuffo.

Le prime macchine a doppio effetto erano del tipo rotatorio, e richiedevano un nuovo sistema di collegamento tra pistone e biella: anche questo problema fu risolto con l'invenzione del parallelogramma di leve, un artificio meccanico di grande raffinatezza.

Il rapporto tra la macchina di Watt e l'impiego del vapore nel primo periodo della rivoluzione industriale non fu certo lineare. Anche molto tempo dopo l'introduzione sul mercato della macchina di Watt si continuarono a costruire e utilizzare macchine di Newcomen e di Savery.

D'altra parte proprio grazie alla maggiore complessità le macchine di Watt diedero origine a una tecnologia molto più avanzata. Le officine Boulton & Watt divennero anzi un centro di attrazione internazionale verso cui convenivano i tecnici di tutti i paesi che intendevano seguire le orme britanniche verso la rivoluzione industriale.

A Birmingham corrispondeva con chimici, tecnologi, matematici e astronomi non solo britannici, ma di tutta Europa.

I suoi interessi infatti non erano limitati alla tecnologia del vapore; anche se non fu lo scopritore a pieno titolo della composizione dell'acqua, vi giunse molto vicino.

Anche in chimica l'interesse teorico non si disgiungeva però da quello pratico: introdusse nelle isole britanniche il procedimento di candeggio mediante cloro e vi apportò variazioni essenziali dal punto di vista dell'utilizzabilità commerciale.

La passione della sua vita restò comunque la meccanica: accanto alle grandi realizzazioni continuò a creare curiosi aggeggi sempre a metà tra il gioco e l'intuizione commerciale; nacquero così la copiatrice, la disegnatrice e la scultrice, destinate nei suoi progetti al mondo delle belle arti.