瓦特在伦敦找到肯收留他的师傅以后，心情非常高兴。在给他父亲的一封信里，瓦特曾这样谈论他的师傅摩根：“虽然他主要是一位黄铜匠人，但在这门行当的很多方面，他能够教我学会不少东西，例如各种产品的规格、比例和象限等。”
瓦特在伦敦12个月的学徒期间，曾给自己的生活节奏安排得十分紧张。他决心要在这为时一年的学徒生涯中，掌握别人通常要用3~4年的训练才能学会的技艺。为此，他必须兢兢业业，埋头苦干。师傅的耐心指点，加上他原有的功底，再加上他的刻苦努力，勤学苦练，使得他的手艺进步很快。
年近20岁的瓦特，已经懂得生活的艰辛。他知道父亲为他提供的生活费用来之不易，因此必须在生活上精打细算，每周只安排8个先令的花销，决不浪费一个铜板。他每周要在芬奇巷摩根的店铺里工作5天，每天都是从清晨一直干到晚上9点钟。尽管这么长的工作时间，往往会把他累得精疲力竭，但在回到寝室以后，瓦特仍然不肯马上休息。他要利用夜晚和清晨上班前的时间，揽点零星的修理活来干。
经过几百个日日夜夜的努力瓦特以惊人的速度学到了手艺。
辛勤的劳动，终于结出了丰硕的成果。为时一年的学徒生涯，现在到了结束的时候了。1756年7月学徒期满，告别那位尊敬的师傅，并且永远离开他那个狭窄的工作间，瓦特感到非常快慰。带着采购来的价值20英镑的金属材料，收拾好平时为自己制造的一些小工具，还特地买来了一部宝贵的由斯通翻译的尼古拉斯·拜昂的专业教科书：《数学仪器的制造和使用》，风华正茂的詹姆斯·瓦特，踏上了返回苏格兰的漫长道路，去迎接新的生活挑战。
初试蒸汽
很快，瓦特回到了阔别一年的家乡，见到了深爱他的父亲并且在家里养了一段时间，身心得到了放松和恢复。为了开始新的生活，瓦特首先到了格拉斯哥，想去见见他在大学里的那些老相识，特别是那位德高望重、乐于助人的良师益友迪克博士。说来也真凑巧，不早不晚，正在这个时候，有一位名叫亚历山大·麦克法兰的富商，给他的母校格拉斯哥大学，捐赠了一批天文仪器。这批刚刚运抵格拉斯哥大学的天文仪器，在漫长的海运过程中，显然是由于保护不周而遭到损坏。负责接受这项捐赠的迪克博士，决定把清洗和修理这批天文仪器的工作，交给瓦特来干，并且在这所大学的自然科学教室楼附近，给他找了一个工作间。急于试试身手的瓦特，自然很高兴地接受了这项任务。
瓦特在这个工作间里，埋头工作了两个多月。他把麦克法兰捐赠的这批天文仪器，一件一件地擦洗干净；对于那些受到损坏的部件，也都设法加以修理，或者换上新的配件。这批天文仪器从拆卸、清洗，到修理、组装，全部都是他一个人干。学校当局给了他5英镑的劳务报酬，这在当时算是一笔可观的收入。更重要的收获也许不在于这笔酬金，而是通过修理这批精密仪器，显示了他高超的工匠技艺，从而把他和这所大学更加紧密地连在一起。
当瓦特在格拉斯哥大学完成了那批天文仪器的修理任务以后，一年一度的圣诞节也快来临了。
瓦特告别了他在格拉斯哥的亲戚和朋友，又回到了格里诺克他父亲身边。
瓦特的父亲老詹姆斯，自从3年前心爱的妻子死去以后，也显得衰老了许多。他本来想让小瓦特去念大学，因为他身体单薄，生性怯弱，不是块经商做买卖的材料，只好随着他的爱好，让他去多啃几年书本，将来好在知识界里混碗饭吃。他对瓦特的弟弟，也就是那个身体健壮、生性好动、机灵活泼的小约翰，十分喜爱。他想能够接自己的班，继续经营好他的作坊和商务业务的，只有小约翰一个人了。也许正是为了培养这个儿子，他才同意让小约翰随着他的一条船去美洲。本来想通过这次远洋旅行，可以增加他的阅历，锻炼他的意志，万万没有想到的是，偏偏让他遇上了那场海难。商船被风浪打碎了，儿子和老船长葬身大海，生意赔本了。接着，几十年来日夜相处的妻子也撒手人寰。这接二连三的严重打击，使得老詹姆斯这位意志坚强的汉子，也有些经受不住了。
现在，老詹姆斯只有小瓦特这一个儿子了。不管愿意还是不愿意，都得靠他来支撑老一代开创的事业了。詹姆斯也看透了父亲的心意，为了能在家照顾年近花甲的父亲，他决定留在格里诺克，就地开创自己的事业。
然而，事情并不尽如人意。像瓦特这样一位有着高超手艺的仪器工匠，除了在重仪器制造和修理行业里修理以外，港湾停泊的船只有些仪表仪器需要，其他方面的主顾便寥寥无几。看到这种情况，老詹姆斯再也不能沉默下去了。他通情达理地对瓦特说道：“儿子，你不能总这样待在格里诺克，否则，会荒废掉你来之不易的手艺。到格拉斯哥试试看，能闯出局面，就留在那里，实在混不下去，再回来也不迟。好在我还不算太老，一时也用不上你来照顾。”
瓦特经过再三的考虑，终于接受了父亲的劝告。
1757年的8月2日，瓦特又回到了格拉斯哥，再次受到了那批有影响的朋友们的欢迎和帮助。
在帮助迪克教授修理和安装好麦克法兰捐赠的那批天文仪器之后，詹姆斯·瓦特变成为这所大学的“知名人士”。人们都知道他是曾在伦敦跟着名师学过徒的一名工匠，而且通过修理天文仪器，已经表现出他果然技艺高超。任何一所文理医工各科齐备的综合性大学，都有许多教学和科研用的精密仪器，需要经常有人负责维修。因此，像瓦特这种工匠，正是格拉斯哥大学急需的人才。加上他所结识的那些教授们的帮助，学校当局终于同意在校园里给他一个工作间，并且给了一个“大学数据仪器制造者”的头衔，成了这所大学的“编外员工”。
大学的环境对于瓦特来说，显然是非常有益的。他失去了上大学读书的机会，但却交结了几位大学教授和一批有学问的朋友。同这些当代精英相处，可以学到知识，开阔眼界，活跃思路，知道很多外部世界的事情。所有这一切，都对瓦特的工作有着长远的影响。
他后来借以成名的蒸汽机，从一开始就是在这批有头脑的朋友们的支持、鼓励和帮助下，通过他的刻苦钻研改进成功的。瓦特蒸汽机这项伟大的技术成果，之所以能够转化成震撼世界的生产力，也是他周围那批有眼光的朋友们，坚定地把他赶出工作间，逼进他自称毫无兴趣的商业领域的结果。
瓦特是一个性格内向的人，好静不好动，这也是他喜欢大学环境的一个原因。他在大学里的那间工作室，成了他工作、读书、会友的小天地。他在这里虽然过得愉快，但在经济上却相当拮据。他不是这所大学的正式员工，没有固定工薪可领。仅靠大学里的修理活显然难以维持生计。
1759年，瓦特同格拉斯哥的一位名叫约翰·克雷格的建筑师，合伙在盐市大街开了一家经营仪器制造和修理业务的店铺。这家商店的开业资本，主要是由克雷格提供的，而日常的仪器制造、修理和销售业务，则由瓦特来全面承担。
格拉斯哥大学里最爱到瓦特店里来的人中，有一位叫约翰·鲁宾逊的。他是个才华横溢的青年，尤其是在科学方面，更是一位热心的研究者。
这一天，鲁宾逊来找瓦特，对瓦特说：
“瓦特先生，我有一个特别的生意想和你谈谈！”
“噢？什么特别的生意？”瓦特好奇地问。
鲁宾逊说：“你知道，在古代，人类尚未具有高智慧的时候，只知道凭借自身的力量办事，到人类渐渐地变聪明后，就想到利用动物的力量了。”
“譬如说搬运东西，最初人类是把东西扛在肩背上来搬运的，到了明白把东西放在车子上用马来拉的时候，人类的力量已增加了几倍，甚至几十倍了。”
“但是这还不行，除了动物之外，必须再想出其他更强的动力来移动车子。究竟有没有这种动力呢？”
说完，鲁宾逊等待瓦特的答复，可是一看到瓦特默然不语，鲁宾逊又继续说下去。
“有的，我想是有的，那就是蒸汽的力量。我想，用蒸汽来推动的车子一定会被发明出来的。”
用蒸汽来推动车子前进，这简直是异想天开！
瓦特把眼睛睁得圆圆的，望着他的脸，可是鲁宾逊越讲越有劲儿，又继续说了下去。
“用蒸汽来推动车子的构想虽然让人感到诧异，可是那绝不是梦想啊！不是早就有纽可门所发明的抽水蒸汽水泵，被人们普遍使用着吗？使用于抽水的动力和用做推动车子的动力原理是相同的啊！”
“你说得挺有道理的。”瓦特听得津津有味。
“事实上，我不过是今天才学到有关纽可门蒸汽机的知识的，虽然对于它的原理与构造方面都已有所了解，但是，这种了解是无济于事的。要想从中产生一种新的东西来，非得具有非凡的想象力与发明能力不可。”
“瓦特先生，只要我们两人肯合作，哪有办不到的事情？你想不想尝试以蒸汽推动车子呢？”
“当然想！”瓦特对这一新的目标产生了浓厚的兴趣。
不知不觉地，工厂里面已经慢慢地暗下来了，兴致正浓的鲁宾逊和瓦特，在没有灯光的屋子里，还在滔滔不绝地谈着。
第二天，瓦特马上跑到格拉斯哥大学的图书馆，找出有关蒸汽机械的书籍，然后根据原理并开始实验起来。
他设法找到一个蒸煮器（就是现在高压锅的最初的雏形），把它用作产生蒸汽的装置，他把一个装有密封活塞块的小注水器连接到蒸煮器上，并在蒸煮器和注水器之间装上一个阀门，这个阀门可以朝上、下两个方向转动；根据阀门的转动方向，既能使蒸汽进入汽缸（即小注水器），也能把它全部排放出去。
瓦特将阀门扭动，蒸汽进入汽缸，小活塞被蒸汽往上顶，居然举起了7公斤重的东西。
“啊，动起来了！动起来了！”瓦特和鲁宾逊都控制不住自己的惊喜。
正当他们打算同心协力大干一场的时候，鲁宾逊毕业了，他要去海军服役，离开了格拉斯哥大学。瓦特只好独自继续蒸汽机械的研究。
要想真正改进前人的不足之处，最有效的办法就是先了解前人的研究成果，瓦特深深地明白这一点。因此，他最先要了解的自然是蒸汽机械的来历。
最早利用蒸汽的力量的人名叫巴巴恩。他设计的装置很简单，只是一个由铁制的汽筒、活塞以及活塞杆组成的简单机械，连锅炉都没有。他在汽筒里面放入一些水，底下用火烧，水慢慢就沸腾而变成蒸汽，这些水蒸汽就把汽筒里的活塞往上推。活塞上升到汽筒顶部时，就用活塞杆的一头把它拴住。这时把水移掉，而汽筒内的水蒸汽就会自然地冷却凝结，汽筒内就变成真空了。把活塞拴在活塞杆上的检子除掉，活塞就被强有力的大气压回汽筒底部去了。
如果将活塞用一条铁链通过一个滑轮与一个汲水装置相连，当活塞被大气压力压下去的同时，活塞向下拉动铁链，铁链另一头已经汲满了水的桶就被吊起来了。
巴巴恩用这种方法做了个大的装置，想利用它来抽取煤矿坑道内的积水，结果，它的速度太慢，而且汽筒里容易漏进空气，根本不能使用。
那个时候，英国的矿业界最感到苦恼的就是矿坑内的排水问题。开矿的时候，在地面上挖，或者是往横的方向挖，都不成问题，但是当挖到地表下面几公尺时，从坑内不断渗出地下水，因此时常发生矿工被淹死的事情。
“谁能够发明一种替代人力抽水的机器，把水从矿坑里抽出来呢？”矿山的工人们发出了求助的信号。
应声而起的是汤玛斯·舍巴利，他对巴巴恩的机械加以改进，配备了两个锅炉。
锅炉一大一小，大的锅炉只加入三分之二的水，并与一个汽筒相连。
大锅炉中的水加热沸腾之后，待水蒸汽一满，就移动它与汽筒之间的阀门，把蒸汽导入汽筒。然后关上阀门，往汽筒里注冷水，水蒸气一凝结，汽筒内就成了真空，汽筒上的活塞又会下落了。两个锅炉可以轮流使用，这就使速度加快了许多。
正为排水问题焦头烂额的矿区立即采用了这种装置，确实方便了许多，矿工也能到较深的地方去作业了。
但是随着矿井越挖越深，需要的蒸汽压力也越来越大，而高温度的锅炉由于直接承受的压力过强而爆炸了。
这时，一个叫纽可门的人又做了改进。
首先，他用一个可以转动横梁代替了滑轮，随着活塞的一上一下，横梁就像跷跷板一样运动，将另一头的汲水装置提升，再放下。
另外，为了增大蒸汽压力，他增加了汽筒的长度，并采用冷水喷射装置，使蒸汽更快地冷凝，大大加快了速度。
这样，就制成了纽可门的蒸汽机械，但它只应用于矿区的抽水工作。而且，纽可门式发动机燃料消耗量很大。但是纽可门式发动机确立了科学原理的实际应用，就是大气具有重压作用。
模型的启示
了解了蒸汽机械的历史，瓦特迫切要看到的就是纽可门的机械。
刚好就在这个时候，瓦特听说格拉斯哥大学的标本室里，有一架纽科门机的模型。
正在此时大学的自然教授突德森在四处托人修纽可门式发动机操作模型，找了许多人修理但发现它仍然转动不了。因此，安德森便派人把这台小型模型转送到了瓦特的作坊，并吩咐他使其恢复正常运转。不难想象，瓦特对于这一突如其来的天赐良机感到喜出望外，精神振奋。对瓦特来说，手头有了这么一台模型，要比只看一下与原物大小一般大的发动机要宝贵得多。他通过阅读资料，获得了知识，这就使他很快能让这台发动机运转起来，但是他对这台发动机的运转情况却很感失望。