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Il passo decisivo verso la produzione di energia per mezzo del vapore fu compiuto da James Watt. La sua idea fu quella di separare condensatore e cilindro, che nella macchina di Newcomen coincidevano, e di tenere a temperatura costante il cilindro, isolandolo dall'ambiente circostante per mezzo di una camicia di legno.

La prima macchina sperimentale fu costruita nel 1765, e nel 1769 fu richiesto un brevetto per "un nuovo metodo per diminuire il consumo di vapore e di combustibile nelle macchine a vapore". La macchina a vapore venne in seguito sottoposta ad importanti migliorie.

Nella macchina di Watt (che funzionava con vapore a bassa pressione) agivano contemporaneamente due forze: la pressione atmosferica (che poteva manifestarsi grazie alla depressione creata dalla condensazione del vapore) e la pressione del vapore (sia pure modesta). Gli storici, a seconda che intendano sottolineare la continuità di Watt con la tradizione precedente oppure il suo ruolo di iniziatore di una nuova epoca, insistono sull'uno o sull'altro elemento tecnico: chi intende presentarlo semplicemente come colui che ha migliorato la macchina di Newcomen insiste sul condensatore separato, che rappresenta il miglioramento essenziale dal punto di vista termodinamico delle macchine precedenti; chi invece vuole sottolineare il suo ruolo di innovatore mette in rilievo l'intuizione di far arrivare il vapore anche sopra lo stantuffo.

A partire dal 1774 si cominciarono a vendere numerosi esemplari della nuova macchina: il grande vantaggio che essa presentava erano i consumi ridotti (circa un terzo rispetto alle macchine di Newcomen), che la fecero diffondere inizialmente nelle miniere di stagno della Cornovaglia, dove il prezzo del carbone era elevato.

La macchina a vapore non riuscì a soppiantare immediatamente le ruote ad acqua. Prima di tutto essa richiedeva un investimento consistente. In secondo luogo era difficile procedere con la precisione necessaria alla sua costruzione. Infine non esisteva ancora personale tecnico in grado di farla funzionare a dovere.

Per risolvere questi problemi ebbe grande importanza la progettazione e realizzazione, da parte dell'industriale John Wilkinson (nella cui fabbrica era stata montata una delle prime macchine) di un tornio speciale per alesare i cannoni (cioè per allargarne e rifinirne il lato interno della canna): un progetto che consentì di raggiungere la precisione costruttiva necessaria per la realizzazione dei cilindri.
La macchina di Watt si diffuse comunque rapidamente: nel 1800 se ne contavano quasi 500 esemplari. Se infatti la potenza media di queste macchine (circa quindici cavalli vapore) non superava quella dei mulini ad acqua in uso all'epoca, la loro vera superiorità consisteva nel fatto di essere svincolate da una fonte di energia incostante e molto localizzata come l'acqua.