近代以来，随着工业的发展，作为传统生物能源的木材明显不足，煤开始作为燃料被广泛使用，采煤业因而越来越热。但是，矿业主普遍面临一个头疼的问题是矿井的排水问题。由于矿井越开越深，越开越大，用传统的提水机械来排水需要动用大量的人力和畜力。据说到了17世纪晚期，英国有些矿井的提水水泵需要500匹马才能开动。这种情况迫使人们尽快研制用以矿井排水的动力机械。
蒸汽用来作为动力古已有之。亚历山大里亚的希罗曾利用蒸汽的反冲力做过一个玩具。近代也有许多人动过这方面的脑筋。第一个比较有意义的尝试可能是罗马林琴学院的创始人之一波尔塔做的。他在1601年出版的《神灵三书》中提出，可以利用蒸汽的压力使水提升，而蒸汽冷却后形成的真空又可以将水从低处吸进来。他设计的装置虽然只是一种实验器械，没有什么实际用途，但其叙述的构想以及他当时还未意识到的物理原理却十分重要。
17世纪上半叶，大气压力和真空概念已广为人知，但将这一新的物理概念用于实际还不多见。法国工程师巴本在使蒸汽动力技术实用化方面迈出了一大步。巴本生于法国南部的布卢瓦，早年学医。1671年在巴黎结识惠更斯后，对实验物理学产生了浓厚的兴趣，并协助惠更斯做了不少大气压力和真空实验。1674年，他成功地改进了波义耳的空气泵。波义耳听到这个消息，便邀请巴本当他的助手，巴本遂于1675年来到伦敦，跟随波义耳系统学习气体力学知识。
1679年，巴本研制出了一种“蒸煮器”。这种炊锅完全密封，水在里面煮沸后产生的蒸汽压使沸点升高，高温使食物极易煮烂。锅盖上还装有安全阀防止蒸汽压力过高。实际上，“蒸煮器”就是现代人们常用的高压锅。据说，巴本用这种高压锅给查理二世做了一道菜，平时不太容易熟的骨头这时变得烂熟，味道极其鲜美。因为发明了此蒸煮器，他于1680年当选为皇家学会会员。
巴本在蒸煮器的基础上制成了第一台带活塞的蒸汽机，设计方案以“一种获取廉价大动力的新方法”为题发表于1690年。这是一个单缸活塞式蒸汽机，汽缸底部放有少量的水，将汽缸加热时所产生的蒸汽推动活塞至顶端，再将热源撤除，里面的蒸汽必定冷凝形成真空，于是汽缸在大气压力作用下下落。这个下落过程可以提供动力。
继巴本的蒸汽机之后，英国工程师萨弗里又发明了蒸汽泵。与巴本的蒸汽机不同，它没有活塞，因为它的直接目的只是抽水。当时矿井排水问题已迫在眉睫，政府多次悬赏寻求解决办法。萨弗里的蒸汽泵由汽缸和三根导管组成，一根导管通往蒸汽锅炉，另两根分别是进水管和出水管。蒸汽进入汽缸后在外面注凉水冷却，在汽缸内形成真空将水吸入，第二次通入蒸汽再将汽缸中的水压出。1698年，萨弗里获得了该项专利。蒸汽泵是第一台投入使用的蒸汽机，某些使用过的矿场都称它为“矿工之友”。不过，它的缺点是十分明显的：它不可能将水提很高，因为那将需要较高的蒸汽压，而当时的锅炉不能安全地提供这样高压的蒸汽；而且，它的热效率太低。
蒸汽机的下一步改进是由英国工程师纽可门完成的。萨弗里的蒸汽泵问世后，马上吸引了当时还是铁匠的纽可门。他决心在此基础上造出更好的蒸汽机来。为此，纽可门专程拜访了年迈的胡克。胡克向他讲解了有关的物理知识。后来，他又与萨弗里本人一起探讨改进方案，最终于1705年造出了一台蒸汽机。这台机器吸取了巴本蒸汽机和萨弗里蒸汽泵的优点，有一个带活塞的汽缸，但蒸汽由另外的锅炉输入。纽可门的创造在于，为了提高冷凝速度，他在汽缸里装了一个冷水喷射器，这大大提高了热效率。据说这是胡克的主意。与萨弗里的蒸汽泵不同，纽可门的机器依靠大气压力而不是蒸汽压力工作，不存在高压蒸汽的危险性。
纽可门的蒸汽机马上投入使用，效果非常好。到了1712年，英国的煤场和矿场基本都用上了这种新式蒸汽机。
又过了半个世纪，工业生产对于动力机的需求空前增长。纽可门蒸汽机的热效率仍然不高，只能用于矿山抽水，不能满足新的需要。于是瓦特蒸汽机应运而生。
瓦特1736年生于苏格兰西部格里诺克的一个工人家庭，从小饱受贫穷和疾病的折磨。十几岁来到伦敦当学徒，学习机械制造。1756年，瓦特回到苏格兰的格拉斯哥，想自己创业，但因学徒年限不够，只得在格拉斯哥大学谋得一个机修工的职位。在大学里，他认识了著名的物理学家布莱克，从他那里学到了许多热学知识。与此同时，他在思考如何改进纽可门蒸汽机。
1763年，他奉命修理格拉斯哥大学的一台纽可门蒸汽机，得以仔细研究纽可门机的结构。他发现纽可门机的热量浪费太大。每一次蒸汽进入汽缸后，为了得到真空都要用冷水冷却，而下一次蒸汽进入后，先得将已冷却的汽缸加热才能推动汽缸使汽缸充满高温蒸汽。在这一冷一热的过程中，热量损失太大。也就是煤矿里有大量品质较低的煤供纽可门机用，其他场合根本不可能使用这种如此消耗燃料的动力机。但是，如何改正这一缺点呢？
1765年，瓦特终于想出了在汽缸之后再加一个冷凝器的主意。瓦特自述说：“那是一个晴朗的星期天下午，我出去散步。从察罗托街尽头的城门来到了草原，走过旧洗衣店。那时我正在继续考虑蒸汽机的事情，然后来到了牧人的茅舍。这时我突然想到——因为蒸汽是具有弹性的物质，所以能够冲进真空中。如果把汽缸和排气的容器相连接的话，那么蒸汽猛然冲入容器里，就可以在不使汽缸冷却的情况下使蒸汽在容器中凝结了吧？当这些在我的头脑里考虑成熟的时候，我还没有走到高尔夫球场。”
冷凝器与汽缸之间用一个可调节阀门相连。高温蒸汽注入汽缸时阀门关上，做功后打开阀门，蒸汽则马上被引入冷凝器（冷凝器事先用一台抽气机抽成真空）冷却，之后在冷凝器和汽缸内均形成真空。活塞在大气压力下做功，之后关上阀门，重新将冷凝器抽成真空，重复前一过程。瓦特于1769年造出了第一台样机，并获得发明冷凝器的专利。
在汽缸外加冷凝器后，蒸汽机的效率成倍地提高。但瓦特并不满足于此。他继续改进自己的蒸汽机。1781年，他改变了蒸汽机只能直线做功的状态，用一个齿轮装置将活塞的直线往复式运动转化为轮轴的旋转运动。1782年，他进一步设计出了双向汽缸，使蒸汽轮流从活塞的两端进入，使热效率又增加了一倍。经过进一步改进的瓦特蒸汽机，成了效率显著、可用于一切动力机械的万能“原动机”。蒸汽机改变整个世界的时代正式到来了。
到1790年，瓦特机几乎全部取代了老式的纽可门机。瓦特开始作为蒸汽机的发明人而受到尊崇。瓦特机的广泛利用使工业革命达到新的高潮。古老的人力、畜力和水力被蒸汽动力所代替，工厂不必再建在水流湍急的地方。大规模生产不仅可能而且成为必要。纺织业、采矿业和冶金业在瓦特机的带动下迅猛发展，而制造瓦特机又使机械制造业繁荣起来。
瓦特后来又发明了离心调节器，它使输入的蒸汽不致太多或太少。蒸汽驱使一个调节杆转动，转得越快，调节杆上的两个金属球就相互飞离得越远，从而使蒸汽出口变小；蒸汽输出减少后，调节杆转动就慢了，两个金属球就离得近了，蒸汽出口便会变大。
1800年，瓦特被选入皇家学会，他曾就职的格拉斯哥大学授予他名誉博士学位。1819年，瓦特在伯明翰逝世。
