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철공업자이자 목사였던 토머스 뉴커먼은 수년간의 실험 끝에 1712년 엔진을 완성했다. 스태퍼드셔의 더들리 성에서 그가 첫 번째 만든 엔진을 설치하여 광산에서 물을 퍼 올리는 데 사용하였다. 뉴커먼의 파트너이자 다트머스의 배관공이자 유리공이었던 존 칼리 또는 카울리는 수작업 기술을 뉴커먼에게 제공했다. 뉴커먼의 공헌은 익숙한 장치와 자신만의 생각을 기발하게 조합한 것이었다. 그는 로마 시대부터 물을 끌어 올리는 데 사용했던 것과 같은 종류의 실린더와 피스톤에 증기를 공급하기 위해 양조업자들의 구리 주전자와 화로를 가져와 실린더 안의 피스톤 아래에 증기를 응축시켜 부분적인 진공 상태를 만들어 위의 대기압이 피스톤을 아래로 밀어내도록 했다. 외부에 찬물을 뿌려 증기를 응축시켜 진공을 만드는 세이버리의 방식 대신, 뉴커먼은 수직 실린더 안에 직접 물을 뿌려 증기를 응축시켰다. 이렇게 하면 증기가 응축되어 진공이 만들어지고 대기압이 피스톤을 아래로 밀어낸다. 이 피스톤의 하향 압력을 작동시키기 위해 그는 수평으로 중앙에서 회전하는 움직이는 밸브를 만들었다. 움직이는 보에 체인으로 막대를 연결하고, 막대의 다른 쪽 끝을 펌프 실린더의 피스톤에 체인과  막대로 고정했다. 첫 번째 피스톤 아래로 새로운 증기가 유입되고 진공이 깨지면 이 피스톤은 움직이는 보의 다른 쪽 끝에 있는 무게에 의해 다시 올라가고 펌프의 피스톤은 원래 위치로 내려간다. 이렇게 해서 위아래로 왕복 운동이 완료되었다.

 
보의 끝에 막대기가 움직일 때 체인을 타고 굴러가도록 원형 호가 있어서 막대 자체가 수직으로 오르락내리락했다. 적절한 순간에 밸브를 여닫기 위해 뉴커먼은 엔진의 움직임에 따라 밸브를 제어하는 장치를 부착했다. 따라서 그는 손으로 밸브를 조작하지 않고 동력 사이클의 빈도를 6분 또는 8분에서 15분 또는 16분으로 늘렸다고 한다. 이야기에 따르면 증기 밸브를 여닫아야 했던 뉴커먼의 아들 험프리 포터는 '스코건'이라는 것을 부착하여 저절로 밸브를 작동시켜서 낚시하러 간 동안 자기 일을 하도록 했다는 것이다. 주의를 돌리는 이야기지만 근거가 없는 이야기는 아니다. 뉴커먼 엔진은 세이버리 엔진에 비해 크게 개선된 엔진이었다. 뉴커먼의 밸브는 한동안 고정식 왕복 엔진에서 필수 기능이었다. 그러나 밸브는 장력이 있을 때만 작동했다. 엔진은 대기압 이하에서 작동했기 때문에 증기의 힘을 전혀 활용하지 못했다. 열효율, 즉 소비된 연료와 생산된 동력 사이의 비율은 그의 후계자들이 더 철저하게 조사하고 개선해야 할 문제였다.
 

 
세이버리의 특허 범위가 너무 광범위했기 때문에 뉴커먼은 직접 특허를 얻으려고 하지 않았다. 대신 1715년 그가 사망할 무렵 한 회사 또는 파트너십이 세이버리의 권리를 인수하여 이후 18년 동안 영국에서 증기기관 제조를 통제했다. 경험을 통해 세부적인 부분을 개선해야 했지만, 뉴커먼 엔진은 광산 굴착용으로 바로 큰 인기를 얻었다. 그것은 해수면에서 작동하여 세이버리의 흡입 펌프보다 훨씬 더 깊은 곳에서 물을 끌어 올릴 수 있었기 때문이다. 증기 실린더의 지름은 보의 다른 쪽 끝에 있는 펌프 실린더의 지름보다 훨씬 더 커야 했다. 따라서 더 넓은 면적에 가해지는 대기압은 그에 비례하여 더 높은 물기둥을 들어 올릴 수 있었다.
 
영국이 아주 좋은 것을 가지고 있다는 소문이 해외에 퍼졌다. 1722년 헝가리의 한 광산에 뉴커먼 엔진이 설치되었고, 1726년 파시에 설치된 또 다른 엔진은 파리 시내를 위해 센 강에서 물을 끌어 올렸다. 1729년 뉴커먼이 사망할 무렵 그의 엔진은 국내와 유럽 대륙 모두에서 수요가 급증했다. 사실상 광산업에 혁명을 일으킨 셈이었다. 스웨덴의 관찰자 마르텐 트리발트는 1734년 다네모라 광산에서 이 기계가 "4쌍의 말이 각각 끄는 66마력, 즉 24시간 동안 총 528마리의 말이 끄는 것과 같은 양의 작업을 하고 있었다"라고 기록했다.
 
1739년 프랑스 프레네(Fresnes)의 탄광에는 지름 30인치 실린더와 9피트의 피스톤 스트로크의 뉴커먼 엔진이 설치되어 지표면 아래 90피트에서 분당 15 스트로크의 속도로 물을 끌어 올릴 수 있었다. 이전에는 하루 24시간 교대로 30명의 사람과 20마리의 말이 광산을 깨끗하게 유지하기 위해 교대로 일주일 내내 일해야 했지만, 이제는 일주일에 48시간만 일하면 되었다. 프랑스의 엔지니어 베르나르 포레스트 드 벨리도르(Bernard Forest de Belidor)는 황홀경에 빠졌다. "이것은 모든 기계 중에서 가장 경이로운 기계이다"라고 그는 말했다. 열이 운동의 원인이고, 정맥의 혈액처럼 여러 관에서 순환이 일어나며, 적절한 순간에 열리고 닫히는 밸브가 있고, 스스로 먹이를 주고, 일정한 간격으로 제자리로 돌아오며, 자신의 작동에에 필요한 모든 것을 자신의 작업에서 끌어낸다"라고 말했다. 당시에는 최고의 칭찬이었지만 제임스 와트는 곧 뉴커먼 엔진을 쓸모없게 만드는 변화를 도입하게 된다.
 
광산에서 광석 제련소, 제철소, 방직 공장으로 확산하면서 뉴커먼의 엔진은 여러 가지 단점을 드러냈다. 그는 피스톤 위에 가죽 디스크를 얹고, 그 위에 워터 씰을 씌워서 누출을 확인했다. 그러나 그의 초기 실린더는 거칠게 주조되어서 수작업으로 연마했지만, 마찰과 동력 손실이 너무 컸다. 지름이 달라지면 피스톤이 멈추거나 진공이 작동하지 않는 경우가 많았다. 황동 실린더는 얇게 만들 수 있었지만, 점점 더 많은 동력에 대한 수요로 점점 더 커지면서 점점 더 비싸지기 시작했다. 1765년에는 지름 72인치, 길이 10피트가 넘고 무게가 7톤에 육박하는 실린더가 장착된 엔진이 등장했다. 주철 실린더는 훨씬 저렴했지만, 급격한 온도 변화에 대응하려면 엄청 두껍게 만들어야 했다. 뉴커먼의 행정에서는 먼저 실린더 벽을 냉각시켜 증기를 응축시켜 진공 상태를 만들어야 했기 때문이다. 곧바로 새로운 증기가 유입되면 다시 가열되어 몇 초 안에 전체 사이클이 완료된다. 엄청난 양의 열이 낭비되었다.
 
뉴커먼 엔진은 회전 운동이 없고 움직이는 부품이 모두 왕복 운동이었다. 제분, 연삭, 선반 회전, 석탄과 광석의 인양 등을 위해 회전축이 필요했고, 이 회전축은 회전식 또는 윈들러스를 사용했다. 크랭크는 수력으로 구동되는 펌프와 손, 발 또는 동물로 작동하는 기타 기계에서 회전 운동을 왕복 운동으로 바꾸는 데 오랫동안 사용되었다. 도자기를 만들거나 밀가루를 빻고 반죽을 반죽하는 등 손이나 발의 힘으로 만들어지는 왕복 운동도 크랭크를 통해 회전 운동으로 바꾸었지만, 세이버리나 뉴커먼이나 다른 누구도 왕복 운동을 회전 운동으로 바꿀 목적으로 크랭크와 플라이휠을 장착하여 증기기관에 개조하지는 않았다. 회전 운동을 얻기 위해 실제로 왕복 엔진을 사용하여 오버헤드 탱크에 물을 펌프질한 다음 그 내용물을 오버샷된 수차 위에 쏟아부은 예도 있었다.
 
뉴커먼 엔진은 이전 엔진보다 발전했음에도 불구하고 속도가 느리고 비효율적이었다. 앞서 말했듯이 대기압 이하에서 작동했다. 증기를 응축시켜 진공을 만들어 대기가 피스톤을 누를 수 있도록 하는 데만 사용했다. 진공이 깨지고 증기가 실린더로 다시 들어가면 보가 다시 흔들리면서 균형을 맞췄다. 증기의 팽창하는 힘은 아무것도 밀거나 당기는 데 사용되지 않았다. 이 엔진은 작업량에 비해 엄청난 양의 석탄을 소비했고, 비평가들은 뉴커먼 엔진을 만들려면 철광산이 필요하고, 엔진을 계속 가동하려면 탄광이 필요하다고 말했다. 연료 낭비가 99% 이상이었지만, 토머스 뉴커먼은 그 뒤를 이은 엔지니어들에게 채굴, 제조, 운송 분야의 비전을 열어주었다.
 
1729년 뉴커먼이 사망할 당시 다섯 살이었던 존 스미턴은 소년 시절 소방차 작동 모형을 만들면서 기계에 대한 흥미를 느껴 아버지의 직업인 법조인을 포기했다. 스미튼은 악기 제작자가 되기로 결심했지만, 29살의 나이에 이미 공학에 대해 폭넓고 다양한 관심사로 자신을 확립했다. 사실 그는 군인 엔지니어와 구별하여 스스로 민간 엔지니어라고 부른 최초의 사람이었다. 당시에는 운하, 에디스톤 등대, 시멘트에 관한 연구, 수력 실험으로 더 유명했지만 스미턴은 스코틀랜드의 카론 제철소에서 수많은 뉴커먼 엔진을 제작했으며, 더 정밀한 실린더 보링, 부품의 비율 개선, 전반적인 작업 개선으로 기계적 효율성을 크게 높였다. 이러한 유형의 엔진이 실제로 구현할 수 있는 최고 성능을 달성했다고 한다. 그의 가장 큰 엔진 중 하나는 1775년 크론슈타트에 있는 캐서린 2세의 드라이 도크를 펌프질하기 위해 러시아로 향했다. 이 엔진은 네덜란드 엔지니어들이 1719년에 설치한 높이 100피트의 거대한 풍차 두 대를 대체했다. 이 풍차를 교체하는 데 1년이 걸렸다고 하는데, 스미튼이 제작한 뉴커먼 엔진은 약 2주 만에 작업을 완료했다.
 
※ 뉴커먼(Newcomen, Thomas): 영국의 공학자(1663~1729). 배수용 증기 기관을 개발하여 1712년에 탄갱에서 실용화하였다.
※ 뉴커먼 기관: 보일러에서부터 실린더 안으로 끌어 들인 증기로 피스톤을 밀어 올리고, 냉수를 분사하여 대기압으로 피스톤을 밀어 내리는 기관. 뉴커먼이 개발한 것으로, 최초로 실용화된 피스톤 기관이자 최초의 외연 기관이다. 1712년에 버밍엄에 설치한 뒤부터 탄갱의 배수 장치로 널리 썼다.
※ 스미턴(Smeaton, John): 영국의 토목 기술자(1724~1792). 수경시멘트를 발명하여 시멘트 제조 기술의 기초를 세웠다.