由于瓦特的這種蒸汽機(jī)仍不夠理想，銷路并不廣。當(dāng)瓦特繼續(xù)進(jìn)行探索時(shí)，羅巴克本人已瀕于破產(chǎn)，他又把瓦特介紹給了自己的朋友、工程師兼企業(yè)家博爾頓，以便瓦特能得到贊助繼續(xù)進(jìn)行他的研制工作。博爾頓當(dāng)時(shí)經(jīng)四十多歲，是位能干的工程師和企業(yè)家。他對(duì)瓦特的創(chuàng)新精神表示贊賞，并愿意贊助瓦特。博爾頓經(jīng)常參加社會(huì)活動(dòng)，他是當(dāng)時(shí)伯明翰地區(qū)著名的科學(xué)社團(tuán)“圓月學(xué)社”的主要成員之一。參加這個(gè)學(xué)社的大多都是本地的一些科學(xué)家、工程師、學(xué)者以及科學(xué)愛好者。經(jīng)博爾頓的介紹，瓦特也參加了圓月學(xué)社。在圓月學(xué)社活動(dòng)期間，由于與化學(xué)家普列斯特列等交往，瓦特對(duì)當(dāng)時(shí)人們關(guān)注的氣體化學(xué)與熱化學(xué)有了更多的了解，為他后來參加水的化學(xué)成分的爭(zhēng)論奠定了基礎(chǔ)。更重要的是，圓月學(xué)社的活動(dòng)使瓦特進(jìn)一步增長了科學(xué)見識(shí)，活躍了科學(xué)思想。

瓦特自與博爾頓合作之后即在資金、設(shè)備、材料等方面得到大力支持。瓦特又生產(chǎn)了兩臺(tái)帶分離冷凝器的蒸汽機(jī)，由于沒有顯著的改進(jìn)，這兩臺(tái)蒸汽機(jī)并沒有得到社會(huì)的關(guān)注。這兩臺(tái)蒸汽機(jī)耗資巨大，使博爾頓也瀕臨破產(chǎn)，但他仍然給瓦特以慷慨的贊助。在他的支持下，瓦特以百折不撓的毅力繼續(xù)研究。自1769年試制出帶有分離冷凝器的蒸汽機(jī)樣機(jī)之后，瓦特就已看出熱效率低已不是他的蒸汽機(jī)的主要弊病，而活塞只能作往返的直線運(yùn)動(dòng)才是它的根本局限。

1781年，瓦特仍然在參加圓月學(xué)社的活動(dòng)，也許在聚會(huì)中會(huì)員們提到天文學(xué)家赫舍爾在當(dāng)年發(fā)現(xiàn)的天王星以及由此引出的行星繞日的圓周運(yùn)動(dòng)啟發(fā)了他，也許是鐘表中的齒輪的圓周運(yùn)動(dòng)啟發(fā)了他。他想到了把活塞往返的直線運(yùn)動(dòng)變?yōu)樾D(zhuǎn)的圓周運(yùn)動(dòng)就可以使動(dòng)力傳給任何工作機(jī)。同年，他研制出了一套被稱為“太陽和行星”的齒輪聯(lián)動(dòng)裝置，終于把活塞的往返的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)辇X輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。為了使輪軸的旋軸增加慣性，從而使圓周運(yùn)動(dòng)更加均勻，瓦特還在輪軸上加裝了一個(gè)火飛輪。由于對(duì)傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)的這一重大革新，瓦特的這種蒸汽機(jī)才真正成為了能帶動(dòng)一切工作及的動(dòng)力機(jī)。1781年底，瓦特以發(fā)明帶有齒輪和拉桿的機(jī)械聯(lián)動(dòng)裝置獲得第二個(gè)專利。

由于這種蒸汽機(jī)加上了輪軸和飛輪，這時(shí)的蒸汽機(jī)在把活塞的往返直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)檩嗇S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，多消耗了不少能量。這樣，蒸汽機(jī)的效率不是很高，動(dòng)力不是很大。為了進(jìn)一步提高蒸汽機(jī)的效率，增大蒸汽機(jī)的效率，瓦特在發(fā)明齒輪聯(lián)動(dòng)裝置之后，對(duì)汽缸本身進(jìn)行了研究，他發(fā)現(xiàn)，他雖然把紐可門蒸汽機(jī)的內(nèi)部冷凝變成了外部冷凝，使蒸汽機(jī)的熱效率有了顯著提高，但他的蒸汽機(jī)中蒸汽推動(dòng)活塞的沖程工藝與紐可門蒸汽機(jī)沒有不同。兩者的蒸汽都是單項(xiàng)運(yùn)動(dòng)，從一端進(jìn)入、另一端出來。他想，如果讓蒸汽能夠從兩端進(jìn)入和排出，就可以讓蒸汽即能推動(dòng)活塞向上運(yùn)動(dòng)又能推動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)。那末，他的效率就可以提高一倍。1782年，瓦特根據(jù)這一設(shè)想，試制出了一種帶有雙向裝置的新汽缸。由此瓦特獲得了他的第三項(xiàng)專利。把原來的單項(xiàng)汽缸裝置改裝成雙向汽缸，并首次把引入汽缸的蒸汽由低壓蒸汽變?yōu)楦邏赫羝@是瓦特在改進(jìn)紐可門蒸汽機(jī)的過程中的第三次飛躍。通過這三次技術(shù)飛躍，紐可門蒸汽機(jī)完全演變?yōu)榱送咛卣羝麢C(jī)。

從最初接觸蒸汽技術(shù)到瓦特蒸汽機(jī)研制成功，瓦特走過了二十多年的艱難歷程。瓦特雖然多次受挫、屢遭失敗，但他仍然堅(jiān)持不懈、百折不回，終于完成了對(duì)紐可門蒸汽機(jī)的三次革新。使蒸汽機(jī)得到了更廣泛的應(yīng)用，成為改造世界的動(dòng)力。

1784年，瓦特以帶有飛輪、齒輪聯(lián)動(dòng)裝置和雙向裝置的高壓蒸汽機(jī)的綜合組裝，取得了他在革新紐可門蒸汽機(jī)過程中的第四項(xiàng)專利。1788年，瓦特發(fā)明了離心調(diào)速器和節(jié)氣閥;1790年，他又發(fā)明了汽缸示工器，至此瓦特完成了蒸汽機(jī)發(fā)明的全過程。

1785年，瓦特被當(dāng)選為英國皇家學(xué)會(huì)會(huì)員。1814年，他被法國科學(xué)家學(xué)會(huì)接納為外國會(huì)員。

1790年以后，優(yōu)厚的專利稅使瓦特成為一個(gè)很有錢的名人。

1819年8月5日，瓦特在希思菲爾德郡的家里去世，遺體埋葬在漢德沃爾斯郊區(qū)的教堂里。

瓦特生活在十八、十九世紀(jì)的英國，所以在他的身上不可避免的帶有時(shí)代和階級(jí)的局限。他曾經(jīng)阻撓雙筒蒸汽機(jī)和高壓蒸汽機(jī)的發(fā)明和推廣，還嘲笑別人用蒸汽機(jī)來驅(qū)動(dòng)車輛的努力。

瓦特為蒸汽機(jī)的推廣使用做出了不可磨滅的重要貢獻(xiàn)、有力的推動(dòng)了社會(huì)的前進(jìn)。恩格斯在《自然辨證法》中這樣寫道：“蒸汽機(jī)是第一個(gè)真正國際性的發(fā)明……瓦特給它加上了一個(gè)分離的冷凝器，這就使蒸汽機(jī)在原則上達(dá)到了現(xiàn)在的水平。”后人為了紀(jì)念這位偉大的發(fā)明家，把功率的單位定為“瓦特”。