Treballà com a mecànic a Londres i a Glasgow. Amb motiu de la reparació d’una màquina de vapor de Newcomen, ideà una sèrie de perfeccionaments per a aprofitar més bé el vapor mitjançant un condensador separat (1765); poc després (1769) patentà el seu invent. El 1775 es posà a fabricar la seva màquina. Ideà diversos sistemes per a la conversió del moviment alternatiu en rotatiu. Ideà també l’èmbol de doble efecte (1785) i el famós regulador de boles que duu el seu nom. Per les millores introduïdes hom el considera, sovint, com el veritable creador de la màquina de vapor moderna. Concebé també un mètode per a determinar el pes específic dels fluids, descobrí la composició de l’aigua i proposà el vapor com a forma d’energia per a la propulsió terrestre i marítima.