瓦特的父亲是木工和造船工，瓦特自幼爱好技艺和几何学，少年时即精通木工、金工、锻工和模型制造等技术。1753年到格拉斯哥和伦敦当学徒，学习仪器制造。1757年从伦敦回到格拉斯哥。1764年为格拉斯哥大学修理从伦敦购买的纽科门蒸汽机，开始从事蒸汽机的研究和改进，这是他创造活动的开始。1776年制造出第一台蒸汽机，后改进成为“万能的原动机”，使人类进入蒸汽时代。后人为了纪念他，把功率的单位称为瓦特，简称瓦，符号W。

蒸汽机的发明是他的主要贡献。1776年，第一批新型蒸汽机应用于实际生产。1781年，瓦特公司的雇员威廉·默多克发明了一种称为“太阳与行星”的曲柄齿轮传动系统，并以瓦特的名义成功申请了专利。这一发明绕开了曲柄专利的限制，极大地扩展了蒸汽机的应用。之后的6年里，瓦特又对蒸汽机作了一系列改进并取得了一系列专利：发明了双向气缸，使得蒸汽能够从两端进出从而可以推动活塞双向运动，而不是像以前那样只能单向推动；使用节气阀门与离心节速器来控制气压与蒸汽机的运转；发明了一种气压示功器来指示蒸汽状况；发明了三连杆组保证气缸推杆与气泵的直线运动。1782年瓦特的双作用式蒸汽机取得专利，同年他发明了一种标准单位——马力。1785年以后，瓦特改进的蒸汽机首先在纺织部门投入使用，受到广泛欢迎。

使用瓦特双作用式蒸汽机从矿井中提煤（英格兰斯塔福德郡）

瓦特发明的新式蒸汽机结构被广泛地应用在工厂，成为几乎所有机器的动力，改变了人们的工作生产方式，极大地推动了技术进步，并拉开了工业革命的序幕，大大提高了生产率的同时也使得商业投资更有效率。蒸汽机为一系列精密加工的革新提供了可能。