后來，瓦特意識到蒸汽在缸內(nèi)冷凝最終導致了蒸汽機熱效率低，那如果將蒸汽在缸外冷凝不就解決難題了嗎？于是瓦特分離冷凝器的最初設(shè)想產(chǎn)生了。瓦特設(shè)計蒸汽機的道路充滿坎坷，根據(jù)分離冷凝器的設(shè)想，瓦特設(shè)計了一種帶有分離冷凝器的蒸汽機，然而其效果卻并不如人意。其效率遠遠沒能達到瓦特的預(yù)想，而這次失敗已經(jīng)讓瓦特身陷困境，債臺高筑。

不過此時瓦特認識了化工技師羅巴克，羅巴克表示支持瓦特的實驗。此后的三年，瓦特戰(zhàn)勝重重困難，最終于1769年制造出了第一臺樣機，同時，瓦特還發(fā)明了冷凝器，使他獲得了在革新紐可門蒸汽機過程中自己的第一項專利。沒想到由于這種蒸汽機的銷售不佳，羅巴克竟瀕于破產(chǎn)。所幸這時工程師兼企業(yè)家博爾頓又開始與瓦特合作。但是，此后研發(fā)生產(chǎn)的蒸汽機不但改進不大，而且耗費了巨資。博爾頓也不堪忍受如此大的壓力，到了瀕臨破產(chǎn)的地步。

此時，瓦特意識到自己所面臨的難題已經(jīng)不再是熱效率低，而是活塞往返運動只能呈直線狀態(tài)。隨后，瓦特受到行星繞日圓周運動的啟發(fā)，他將活塞往返的直線運動變?yōu)樾D(zhuǎn)的圓周運動，同時還在輪軸上加裝了一個飛輪，這樣蒸汽機成就了可以帶動一切工作機的動力機。

1781年底，瓦特因發(fā)明帶有齒輪和拉桿的機械聯(lián)動裝置榮獲了自己的第二個專利。

為了進一步提高蒸汽機的效率，瓦特在發(fā)明齒輪聯(lián)動裝置之后，對汽缸本身進行了研究，發(fā)現(xiàn)他的蒸汽機中蒸汽推動活塞的沖程工藝與紐可門蒸汽機沒有不同，兩者的蒸汽都是單項運動，從一端進入、另一端出來。