Учился деревообработке Уатт легко, можно сказать, играючи. Сначала он переделывал собственные игрушки, потом стал делать себе новые, затем увлёкся моделированием и постепенно, переходя от простого к сложному, довольно быстро достиг такого совершенства, что изготовил точные копии отцовских шедевров: гринокского портового крана и церковного органа со всеми подробностями, только в уменьшенном виде. Тогда отец стал просить его делать деревянные модели некоторых машин и станков, которые предстояло изготовить в мастерской по чертежам заказчика.

С 12 лет Уатта перевели в математический класс гимназии. Здесь были замечены его недюжинные способности к точным наукам.

С 14 лет Уатт стал часто гостить у тётки по матери, которая была замужем за профессором Мюрхедом, крупным специалистом по древним языкам. Однако племянник занимался у дяди Мюрхеда не столько древними языками, сколько химией и физикой, читая университетские учебники и ставя опыты, о которых там было написано. В доме дяди в Глазго Уатт познакомился со многими молодыми людьми, увлечёнными науками. С некоторыми из них он сошёлся довольно близко, хотя они были несколько старше его по возрасту, и дружил с ними до глубокой старости. Друзья вспоминали, что в это время он с увлечением мастерил какую-то электрическую машину, о которой прочёл в одной из книг дядиной библиотеки. Вероятно, это было некое подобие лейденской банки, изобретённой в те годы и описанной в научной литературе.

Летом семья Мюрхеда отдыхала в живописной горной местности на севере Шотландии, на берегу озера Лох-Ломон. Здесь Уатт нашёл совершенно новую пищу для своего ума, какой не было ни в Гриноке, ни в Глазго. Он бродил по горам и любовался природой, разыскивая истоки какого-либо ручья и собирая по пути минералы и растения. В окрестностях Лох-Ломона было немало исторических достопримечательностей, связанных с боевыми действиями во время междоусобных войн и революций. Вероятно, здесь у него зародилась привычка, как он сам говорил впоследствии, "любоваться природой, изучая её".

В семействе Мюрхедов Уатт нашёл наиболее благоприятную обстановку для своего самообразования. У них он сумел существенно пополнить и расширить гимназические знания.

Учась в гимназии, Уатт не только не забросил свои занятия в отцовской мастерской, но, наоборот, чем больше узнавал на уроках в гимназии, тем больше смысла находил в своих поделках и с тем большим интересом осваивал ремёсла. Занятия в гимназии и занятия в отцовской мастерской удивительным образом дополняли друг друга, объединённые общим принципом учиться и узнавать новое.

Отец Уатта никогда не думал сделать из сына обыкновенного мастерового в своей мастерской, но он считал, что семья должна создавать наиболее благоприятные условия для развития природных способностей детей, как их ума, так и их рук. "Пусть делают то, к чему имеют природное влечение", -говорил Джеймс Уатт-старший, -лишь бы делали серьёзно, с увлечением, а подчиняться обстоятельствам жизни научатся, когда придёт время". Поэтому в дополнение к инструментам он построил для сына верстак, а потом небольшой горн.

Особых наставников у Джеймса Уатта-младшего не было, но в мастерской работали не только хорошие столяры и плотники, но и кузнецы, слесари и даже слесари-инструментальщики, и молодой человек мог многому от них научиться. Он делал то модели отцовских машин, то инструменты. Однажды он принялся отливать даже серебряную монету, которую долго хранил потом как память об этом времени. Но главное он приучался владеть инструментами и другими орудиями труда, узнавал свойства различных материалов, сам осуществлял свои замыслы, вырабатывал в себе практическую сноровку и находчивость.