Пар, получающийся при кипении воды, расширяется примерно в 1700 раз. Если ему не дать выхода, он давит на стенки сосуда — это давление измеряется в атмосферах. В 1679 году Дени Папен показал Королевскому обществу скороварку-«дигестер», а чтобы её не разрывало, поставил подпружиненный рычаг — первый паровой предохранительный клапан.
Поршень, плотно сидящий в цилиндре, преобразует давление в силу: при перепаде в одну атмосферу каждый квадратный сантиметр даёт около килограмма. Ранние котлы не умели держать высокое давление, поэтому диаметр цилиндров делали огромным — сила росла пропорционально квадрату диаметра. Слабое давление компенсировали атмосферой. Столб воздуха от руки до границы атмосферы давит на каждый квадратный сантиметр с той же килограммовой силой. Эванджелиста Торричелли в 1643 году понял, что вода поднимается за насосом не потому, что её «засасывает» разрежение, а потому, что её толкает атмосфера. Отто фон Герике в 1654 году показал, как атмосфера сжимает медные полушария с силой около двух тонн, стоило откачать из них воздух. Создавать разрежение долго, но пар решает проблему: если заполнить цилиндр паром, а затем сконденсировать его впрыском холодной воды, возникает почти полный вакуум, и атмосфера вталкивает поршень внутрь.
Томас Ньюкомен использовал этот принцип в 1712 году для откачки воды из шахт. Его двигатель соединял поршень с одним концом массивного балансира, а к другому концу подвешивались тяжёлые насосные штанги. Атмосфера толкала поршень вниз и поднимала штанги; их вес затем возвращал поршень вверх, пока цилиндр снова наполнялся паром. Машина работала круглые сутки, но съедала чудовищное количество угля: холодная вода, распыляемая прямо в цилиндр, охлаждала его, и три четверти пара уходило на повторный нагрев металла. Шахты мирились с этим, потому что жгли отходы-угольную мелочь, но за их пределами топливо стоило слишком дорого.
Джеймс Уатт, изучив скрытую теплоту парообразования вместе с Джозефом Блэком, добавил отдельный сосуд — condenser. В конце хода поршня клапан открывался, и пар устремлялся в холодный конденсатор, где превращался в воду, создавая падение давления и в цилиндре. Маленький air pump, работавший от самого двигателя, откачивал конденсат и воздух. Цилиндр оставался горячим, конденсатор — холодным, что снизило расход угля примерно на две трети. Уатт закрыл верх цилиндра и пустил пар по обе стороны поршня, сделав машину double-acting. Подачу пара и выхлоп менял один slide valve — ползун в форме буквы D, сидящий в steam chest и движимый эксцентриком на вращающемся валу.
Шток поршня должен ходить только вверх-вниз, но балансир движется по дуге. Уатт применил parallel motion — систему шарнирных тяг, которая гасила боковое смещение, оставляя штоку почти идеальную прямую. С другого конца балансира приводился насос с двумя check valves, непрерывно подававший воду в котёл.
Чтобы превратить возвратно-поступательное движение во вращение, Уатт поставил кривошип и маховик. Дважды за оборот crank и шатун оказывались на одной линии — «мёртвых точках», где вращающий момент исчезал. Тяжёлый flywheel накапливал энергию на рабочем ходе и проносил вал через эти точки. Скорость двигателя менялась при подключении и отключении станков на фабрике, поэтому Уатт приспособил центробежный governor: шары расходились при росте оборотов и через рычажную передачу прикрывали steam cock. Джеймс Клерк Максвелл в 1868 году математически описал, когда колебания такого регулятора затухают, а когда усиливаются — это стало началом современной теории управления.
Прядильные фабрики требовали вращения. Кожанные ремни передавали мощность с маховика на линейный вал, а с него — на станки. До появления паровых машин мельницы стояли у рек; когда место у воды стало дефицитом, владельцы фабрик начали ставить паровые двигатели прямо там, где жили рабочие и подвозилось сырьё.
Первый двигатель Ньюкомена превращал в работу около 0,5 процента тепла сожжённого угля. Отдельный конденсатор Уатта поднял КПД примерно до трёх процентов. К концу XIX века высокое давление, точные Corliss valves, compound engines с последовательным расширением пара в нескольких цилиндрах и появление turbines довели долю полезной работы у крупных судовых машин за десять процентов, а современная паровая турбина перешагивает за сорок. Котлы тоже эволюционировали: от тонкостенного haystack boiler и низконапорного waggon boiler к цилиндрическим сосудам под высоким давлением; после катастрофического взрыва на фабрике Grover Shoe в 1905 году инспекции выросли в ASME boiler code, один из старейших инженерных стандартов безопасности.