工业革命的物质要素是铁、煤、交通、机械、动力和工厂。大自然虽然赋予英国铁、煤和水路，但铁矿中掺有杂质，必须用火加以熔炼。煤也混合着杂质，需要加热才能提炼出焦煤。然后燃烧焦煤，把铁砂加热并提炼出各种成分不同的锻铁、铸铁或钢铁。
为此，亚伯拉罕·达比造了鼓风炉，它的一副风箱是由水轮发动的，可将额外的空气输入炉火中。1760年，约翰·斯米顿以一种部分由水力、部分由蒸汽发动的压缩空气装置代替风箱。利用如此不断输入高压热风的作用，工业用铁的产量由原来的每日每炉12吨增至40吨，于是铁便宜得足够应用于数百种新的用途上。所以，1763年理查德·雷诺兹建造了第一条为人所知的铁路——使火车厢可以取代马匹来运煤和铁矿的铁道。
从此开启了闻名的钢铁大王的新纪元。他们控制工业界，而且由于将铁用于当时似乎颇出乎人们意料的一些用途上而致富。约翰·威尔金森与亚伯拉罕·达比二世在塞文河上架设了第一座铁桥（1779年）。威尔金森曾提议建造铁船，英国人却觉得可笑，有些人说他精神失常。但是他根据阿基米德原理，竟把铁板拼凑成历史上有名的第一艘铁船（1787年）。生意人从国外来考察并研究威尔金森、理查德·克劳谢或安东尼·培根建造的大工厂。伯明翰因为靠近广大煤铁矿的储藏地，成为英国钢铁工业中心。从这里生产出来的更坚固耐用、信用可靠的器具与机器，大量地倾入英国的各大工厂。
煤铁相当沉重，除非利用水运，否则运费昂贵。犬牙交错的海岸线使海上交通能通达英国的各个主要城市，但为了运送原料和产品到远离海岸或通航河川的城镇，必须进行交通运输革命。陆上运输虽有赖于1751年和1771年所建的税道网，但仍使人感觉不便（这种道路是由路上满布一次只能容一人出入的旋转门关卡，必须缴税后始能通行的税道而得名）。这些税道使运输速度倍增，并加速了国内贸易的发展。同时马车取代驮马运输，人们也改乘驿马车以代替骑马旅行。税道也就留归民营企业维护，因此道路极易损坏。
在此情况下，商业交通仍喜采水路运输方式。于是，疏浚河川以利重型船只航行，而且河川与城镇之间也彼此以运河相连。詹姆士·布林德利以一个未受过正式技术教育且目不识丁的磨粉机修理匠的身份，全凭着他对机械方面的爱好，解决了运河流经水闸、隧道及输水道的种种问题，成为当时最杰出的运河工程师。1759年至1761年，他开凿了一条运河，可将沃斯雷布里奇沃特公爵矿区的煤运抵曼彻斯特。如此不但将曼彻斯特的煤价减低一半，也使该市成为英国的一个工业大城。船只沿着布林德利—布里奇沃特运河航行，行经一条高出巴顿厄维尔河99英尺的人工输水道时的情景，成了18世纪英国最生动美妙的景色之一。1766年，布林德利开始挖掘连接特林特河和默西河的大干线运河，因此开辟了从爱尔兰横越英格兰中部直通北海的水路。还有其他运河分别连接特林特河和泰晤士河，及曼彻斯特与利物浦两大城市。在短短的30年间，数以百计的新运河大大减低了英国商业交通的费用。
有了原料、燃料和交通运输后，工业革命还必须大量增产货物，而最迫切需要机器以加速生产的莫过于纺织业了。输入英国的棉花数量急剧增加——1753年是300万磅，1789年已达3200万磅，可是手工无法将这些原料即时制成成品以应需要，因此在制衣业方面发展的劳力分工情形提示并促进了机器的发明。
约翰·凯（John Kay）发明飞梭，使织布开始进入机械化（1733年）。刘易斯·保罗（Lewis Paul）则发明了一系列的滑轮，使纺纱机械化（1738年）。1765年，兰开夏郡的布莱克本的詹姆士·哈格里夫斯（James Hargreaves）把纺轮的位置从垂直改为水平，将轮子上下叠放，并以一个滑车和皮带转动其中8个轮子，如此一次可以纺8支纱。同时，他加动力于其他许多纺车之上，直到他的“珍妮多轴纺织机”（spinning Jenny，珍妮是他妻子的名字）能同时织8条线为止。手工纺织者唯恐这种新奇的机器将导致他们失业，砸坏了哈格里夫斯的机器。他为了保全性命逃至诺丁汉岛，由于当地劳力缺乏，他的多轴纺织机得以装置起来使用。1788年以前，英国已有2万部这种纺织机了，而纺车已逐渐成为浪漫色彩的装饰品了。
1769年，理查德·阿克莱特（Richard Arkwright）运用不同的机械学原理，发展成一种“水架”。这种水架利用水力以推动一系列滚筒之间的棉花纤维，而这滚筒具有能够将纤维变成更坚韧绒线的作用。约1774年，塞缪尔·克朗普顿（Samuel Crompton）将哈格里夫斯的纺织机和阿克莱特发明的滚筒合并而成为混合的机器，英国的有智之士即称它为“克朗普顿纺织机”。这种纺织机利用一种旋转纺锤的前后交替动作，可伸展、扭转并卷缠棉线，以增加其纯度和韧度。哈格里夫斯的多轴纺织机和阿克莱特的水架原先都是木头建造的，而克朗普顿的纺织机在1783年以后，即改用金属滚筒和轮子，因此坚固得足以承受操作时的速度与压力。
以曲柄和重力发动的动力织布机曾在德、法两国使用过，但爱德蒙·喀特莱特（Edmund Cartwright）于1787年在唐克斯特建造的一座小型工厂，厂内的20架织布机却全靠畜力推动。1789年，他以蒸汽引擎取代这种发动机。两年后，他与曼彻斯特的友人们创办了一所大工厂，厂内400架织布机全以蒸汽转动。此地的工人也加以反抗，他们烧毁工厂，并威胁要杀死蒸汽引擎的提倡者。在随后的10年内，许多动力织布机陆续建造起来，但其中有些被乱民摧毁，有些则获幸存并加以扩建，机器终于赢得了最后的胜利。
英国雨量丰富，无数的河川提供了充足的水力，使英国工业得以发展。所以在18世纪，工厂建于城镇里的较少，大都建于乡间，而且沿着能够筑坝拦水形成瀑布，又有充足的水力可转动巨轮的河流两岸而建。关于此点，诗人们也许会怀疑，假使蒸汽没有取代水力成为主要动力，而且工业不聚集于都市而与乡村的农业混合在一起，那岂不更好。但是，无论如何，较有效与有利的生产方法总会取代较差的，何况蒸汽引擎极有希望生产或运输世界上前所未有的那么多的货物和金子。
蒸汽引擎是工业革命的集大成，却不能算是工业革命的一项产品。且不必回溯到亚历山大港的数学家希罗，丹尼斯·帕潘在1690年就曾描述了实用蒸汽引擎的结构和原理。托马斯·萨弗瑞于1698年造了一部蒸汽推动的唧筒。托马斯·纽科门将其改良（约1708—1712年）成为一种机器，这种机器内由热水产生的蒸汽可凝结成一股冷水，而这种气压的改变可使活塞上下移动。这种“气压引擎”一直维持原状，直到1765年才由瓦特改造成真正的蒸汽引擎。
瓦特并不像当时大多数的发明家，他不但是一个学生，而且也是一个重实际的人。他的祖父是一个数学教师，父亲是一个建筑师、造船家，并曾任苏格兰西南部格陵诺克一个享有自治权的地方法官。瓦特没有受过大学教育，但他具有强烈的好奇心且酷爱机器。半个世界的人都知道瓦特的姑母责备他的这则故事，她说：“我从来就没有看过像你这般无聊的孩子……过去的半个小时，你一言不发，却只见你把壶盖掀开了又盖上，一会儿拿着瓶盖，一会儿拿银匙，注视着蒸汽如何由壶嘴升起，捕捉并数着水滴。”虽然这则故事富有传奇意味，在瓦特亲笔写的现存手稿中，有一段描述他在一次实验中把“一根管子直的一端固定在茶壶嘴上”；在他的另一部手稿中，也有“我拿了一根弯曲的玻璃管，将它倒转插入茶壶口，并把另一端浸在冷水里”的记载。
瓦特20岁时（1756年）想在格拉斯哥做一个科学仪器制造商，却被同业公会以其未完成学徒训练为由，拒绝发给执照，但格拉斯哥大学在校园里拨给他一个工厂。同时，瓦特前往该校聆听约瑟夫·布雷克讲授化学课程，并赢得他的友谊和协助，瓦特对布雷克的潜热学说尤感兴趣。他也学习德文、法文和意大利文，阅读包括形而上学和诗的外文书籍。当时与瓦特相识并对瓦特的博学多识颇感惊讶的詹姆士·罗宾逊爵士曾经说：“我只不过把他看成一个工人而已，不敢期望太高，没想到我发现他竟是一个哲学家。”
1763年，格拉斯哥大学请瓦特修理一部物理课使用的纽科门式引擎模型。他很惊讶地发现供应机器的热能竟有3/4浪费了：活塞每击一下，汽缸就因须用冷水凝聚新进入的蒸汽，以致散失热能。这样太多的热能散失了，使制造商认为这种引擎已无利可图。于是，瓦特建议用另一个容器来凝聚蒸汽，这个容器的低温将不致影响到有活塞在其内移动的汽缸。这个“凝聚器”依照完成工作所需燃料的比例，增加了大约300%的机器效能。更有甚者，经过瓦特的改良，活塞改由靠蒸汽而非空气的扩散而移动，至此瓦特终于制造了一个真正的蒸汽引擎。
从计划制造模型到实际应用这段过程，耗费了瓦特20年的光阴。为了连续制造引擎的样品，而且不断地加以改良，瓦特借贷1000英镑以上，这笔钱主要是来自对瓦特从不感到灰心的约瑟夫·布雷克。另外一位既是发明家又是工程师的约翰·斯米则预言瓦特的引擎“由于无法精确地制造机器零件，绝不致被普遍采用”。1765年瓦特结婚后，必须赚更多的钱养家，只好暂时抛开他的发明，从事测量和工程设计工作，或绘制港口、桥梁和运河的蓝图。同时，布雷克把瓦特介绍给约翰·罗巴克，而约翰·罗巴克那时正寻找一部比纽科门式更有效的引擎，以便从他的煤矿中抽出积水。1767年，他同意替瓦特还清债务，并出资让瓦特建造自己设计的引擎，而以将来安装或出售引擎所得2/3的利润作为交换条件。瓦特为了保障他们的投资，1769年向国会提出专利申请，让他有独家的权利制造引擎。这项专利申请直到1783年才获认可。瓦特与罗巴克在爱丁堡附近建造了一部引擎，可惜由于铁匠粗劣的技术这项计划功败垂成，有时他们为瓦特做的汽缸两端直径竟相差1/8英寸。
由于时运不济，罗巴克被迫把他的股权卖给马修·波尔顿（1773年），一项工业兼友谊史上著名的联合从此开始。波尔顿并非仅是一个唯利是图的人，他对改进产品的方式和结构也极感兴趣，并因此丧失了一笔财富。1760年，波尔顿32岁时娶了一位富有的女子，他本来可以退休，只靠她的收入过日子的，可是他并未这么做。他在伯明翰附近的索霍建立了一座当时英国生产工业产品种类最多的工厂，专门制造包括鞋扣与吊灯在内的各种各样的金属物品。为了操作工厂内的机器，他过去一直仰赖水力，现在却建议试用蒸汽动力。他知道瓦特已经证明了纽科门式引擎缺乏效率，也清楚瓦特引擎的失败在于汽缸凿得不够精确。因此他以上述缺点必能予以克服的决心，1774年将瓦特的引擎搬到梭河。1775年瓦特也随着他到那里，而国会也将他的专利权限从1783年延长至1800年。
1775年，一位铁厂厂长威尔金森发明了一种中空的圆筒状钻孔用柄，使波尔顿和瓦特能制造出具有空前动力与效能的引擎。不久他们就把新厂制造的这引擎卖给全英国各地的厂商与矿主。1776年，博斯韦尔访问梭河并做了如下的报道：
赫克托先生很好意地陪伴我参观了波尔顿先生的大工厂……要是詹森与我们一道来多好，因为我实在想借他的智慧来默察这里的情况。有些机械的浩大与其设计的巧妙，真能“配得上他那伟大的心灵”。我将永远忘不了波尔顿先生对我说的这番话：“先生，我这里所卖的是世人渴望拥有的动力。”波尔顿先生手下约有700个工人，我把他当作一个钢铁大王，而他似乎又是那个行业的鼻祖。
瓦特所造的引擎仍难以令人满意，所以他不断地力求改进。1781年，他申请到了另一项发明的专利权。此项新发明中，活塞由交互移动改为旋转移动，如此引擎就适于发动一般机械。1782年，瓦特的复式作用引擎也获得了专利，这种引擎的汽缸两端同时承受煮沸器和冷凝器的压力。到了1788年他又为“飞球调速机”申请到专利，这种机器可调节蒸汽的流动，以控制其在引擎内的速度。在瓦特从事实验的数年之中，其他发明家也竞相制造引擎，而瓦特出售引擎所获利润直到1783年才还清债务，并开始获利。后来瓦特的专利权期限到了，他就从实际的工作中退休下来，至于波尔顿与瓦特公司则由他们的儿子继承。从此瓦特便从事较不重要的发明以娱晚年，直到1819年才与世长辞，享年83岁。
在这一段多产的时期里，还有许多其他的发明问世，正如狄恩·塔克所说：“几乎每位主要的制造商都有一项属于自己的新发明，每天都在设法改进别人的发明。”瓦特本人发明了一种复印法，利用一种胶质墨水将书写好或印刷过的纸张压在潮湿的薄纸上（1780年）。瓦特的一位雇工威廉·默多克将瓦特的引擎应用作牵引机，制造了一个时速8英里的火车头模型（1784年）。默多克与法国的菲利浦·勒邦皆以煤气照明的独特方法共享盛名，而他以此法照亮了索霍工厂的外部（1798年）。18世纪末，英国经济的主要情景即是蒸汽引擎领导并加速了工业革命的步伐，并应用于成百种工业机械上，诱使纺织工厂从水力改以蒸汽发动机器（1785年后）。它改变了乡村，侵袭了城镇，煤尘黑烟污染了天空，这种引擎装置用于船上更给英国的海上霸权增强了声势。
此外，有两个必备的要素——工厂与资本，使工业革命更加完整。这些要素——燃料、动力、原料、机器及人力——齐置于同一领导人之下的同一建筑或工厂、同一个机构及纪律时，就最能合作无间了。以往固然也有许多工厂，不过现在由于市场扩大，需要经常不断大规模地生产，原有的工厂数目增多，规模也增大了，因此“工厂制度”成为代表工业新秩序的一个名词。同时，随着工业机械及投资建厂的价格不断提高，一些能汇集或提供资本的人和机构因而崛起得势，而且银行势力又凌驾于工厂之上，使整个复杂的情势博得了资本主义之名——经济被资本提供者垄断的一种现象。于是，在每个刺激因素都已导致了发明与竞争，及在企业一途渐脱离了同业公会的种种限制与法律层层障碍的情形下，工业革命已随时准备改变英国的面貌、天空，甚至灵魂。
