由于这种蒸汽机加上了轮轴和飞轮，这时的蒸汽机在把活塞的往返直线运动转变为轮轴的旋转运动时，多消耗了不少能量。这样，蒸汽机的效率不是很高，动力不是很大。为了进一步提高蒸汽机的效率，增大蒸汽机的效率，瓦特在发明齿轮联动装置之后，对汽缸本身进行了研究，他发现，他虽然把纽可门蒸汽机的内部冷凝变成了外部冷凝，使蒸汽机的热效率有了显著提高，但他的蒸汽机中蒸汽推动活塞的冲程工艺与纽可门蒸汽机没有不同。两者的蒸汽都是单项运动，从一端进入、另一端出来。他想，如果让蒸汽能够从两端进入和排出，就可以让蒸汽即能推动活塞向上运动又能推动活塞向下运动。那末，他的效率就可以提高一倍。１７８２年，瓦特根据这一设想，试制出了一种带有双向装置的新汽缸。由此瓦特获得了他的第三项专利。把原来的单项汽缸装置改装成双向汽缸，并首次把引入汽缸的蒸汽由低压蒸汽变为高压蒸汽，这是瓦特在改进纽可门蒸汽机的过程中的第三次飞跃。通过这三次技术飞跃，纽可门蒸汽机完全演变为了瓦特蒸汽机。
从最初接触蒸汽技术到瓦特蒸汽机研制成功，瓦特走过了二十多年的艰难历程。瓦特虽然多次受挫、屡遭失败，但他仍然坚持不懈、百折不回，终于完成了对纽可门蒸汽机的三次革新。使蒸汽机得到了更广泛的应用，成为改造世界的动力。
1784年，瓦特以带有飞轮、齿轮联动装置和双向装置的高压蒸汽机的综合组装取得了他在革新纽可门蒸汽机过程中的第四项专利。1788年，瓦特发明了离心调速器和节气阀；1790年，他又发明了汽缸示工器，至此瓦特完成了蒸汽机发明的全过程。
1785年，瓦特被当选为英国皇家学会会员。1814年，他被法国科学家学会接纳为外国会员。
1790年以后，优厚的专利税使瓦特成为一个很有钱的名人。1819年8月5日，瓦特在希思菲尔德郡的家里去世，遗体埋葬在汉德沃尔斯郊区的教堂里。
瓦特生活在十八、十九世纪的英国，所以在他的身上不可避免的带有时代和阶级的局限。他曾经阻挠双筒蒸汽机和高压蒸汽机的发明和推广，还嘲笑别人用蒸汽机来驱动车辆的努力。
总的来说，瓦特为蒸汽机的推广使用做出了不可磨灭的重要贡献、有力的推动了社会的前进。恩格斯在《自然辨证法》中这样写道：“蒸汽机是第一个真正国际性的发明……瓦特个它加上了一个分离的冷凝器，这就使蒸汽机在原则上达到了现在的水平。”后人为了纪念这位伟大的发明家，把功率的单位定为“瓦特”。