После основательного изучения действующих машин с КПД 0,1 .. . 0,6 % были проведены опыты по определению свойств пара, выявлены причины потери тепла в машинах, подобраны нужные уплотнители и смазки, проконтролирован расход пара и воды. Первый этап работ закончился подсоединением к макету машины конденсатора для отработанного пара, и КПД возрос в 2,7 раза. Постройка опытного образца машины требовала больших денег, которые согласился предоставить шотландский промышленник Джон Ребек.

В 1769 г. Уатту был выдан патент на нее. По контракту с Ребеком треть прибыли от продажи машин получал изобретатель. Машина длительное время строилась и доводилась, а Уатт зарабатывал на жизнь, занимаясь геодезическими съемками, проектированием и постройкой каналов. Финансовое положение оставляло желать лучшего. В 1771 г. Уатт получил через русского посла в Лондоне официальное приглашение на работу в Россию, но ответил вежливым отказом. Наступил 1774 г., ставший роковым для изобретателя. Весной Ребек обанкротился, осенью умерла жена.

Позднее пришло второе приглашение в Россию. Вероятно, Уатт согласился бы на поездку, но его отговорил крупный бирмингемский промышленник Мэтью Болтон. Болтон, бывший кредитор Ребека, давно присматривался к Уатту. В одном из писем к нему промышленник прямо заявил, что конечная цель должна заключаться в постройке предприятия, которое снабжало бы весь мир машинами всех возможных размеров.

По договору, составленному Болтоном в 1776 г., Уатт должен был изготовлять чертежи и руководить работой. Все остальное - забота предпринимателя за две трети доходов. После серии экспериментов и усовершенствований в 1784 г. изобретатель изготовил машину, в которой в отличие от известных двигателей пар передвигал поршень в обе стороны цилиндра, т. е. изобрел машину двойного действия.