Первая машина была построена Ньюкоменом в 1705 г., но работала она очень плохо. Нужно было улучшить её конструктивные элементы и научиться управлять ею. Это требовало не только труда и времени, но и денег. Понимая, что одному с этой задачей не справиться, Ньюкомен привлёк Джона Коули (cowley), по одним сведениям, лудильщика, по другим, торговца стеклом. Ньюкомен и Коули составили компанию и заключили соответствующий договор. Ньюкомен брал на себя ответственность за техническое совершенствование машины, Коули – за всё остальное: добывал деньги, покупал расходные материалы и инструменты, помогал в работе. Некоторые исследователи считают роль Коули в создании паровой машины такой же важной, как и роль самого изобретателя, и называют паровую машину машиной Ньюкомена-Коули.

Первые машины были проданы Ньюкоменом и Коули для производственного использования только в 1711 – 1713 гг.

Наблюдая за их работой, Ньюкомен заметил утечку пара между стенками цилиндра и поршня. Думая, как бы ликвидировать эту утечку, он налил на поршень сверху немного воды. Однако, вместо того, чтобы закрыть щель и не выпускать пар из цилиндра, вода сама просочилась под поршень внутрь цилиндра и внезапно вызвала там быструю конденсацию пара.

Ньюкомен повторил это действие, когда нужно было обливать цилиндр холодной водой. Просочившись под поршень, вода произвела конденсацию пара в несколько раз быстрее, чем обливание цилиндра холодной водой. Соответственно быстрее заработала и вся паровая машина. Это побудило Ньюкомена провести из бака в цилиндр особую трубку, чтобы впрыскивать воду под поршень. Скорость машины повысилась до 8 рабочих движений в минуту, и существенно понизился расход топлива. Цилиндр теперь меньше остывал при конденсации пара, и на него меньше тратилось тепла при очередной подаче пара в цилиндр.

Однако это усовершенствование имело и негативную сторону. На дне цилиндра стала быстро накапливаться вода, и машину приходилось часто останавливать, чтобы выливать её.

Нужно было найти способ удаления воды из цилиндра без остановки машины. Трудность состояла в том, что воду нужно было удалить, сохраняя сильно разрешенное воздушное пространство в цилиндре.

Из опытов Паскаля, Торичелли и Герике к тому времени уже было известно, что атмосферное давление может поднять воду в безвоздушном пространстве не более, чем на 32 фута (около 10 м). Ньюкомен использовал это для решения своей проблемы. Он провёл трубку из дна цилиндра в колодец глубиной более 10 м, и вода собственным весом стала преодолевать атмосферное давление и самотёком уходить в колодец, растекаясь по поверхности его зеркала. Важно было только следить, чтоб конец этой трубки всегда был несколько ниже поверхности воды в колодце, и чтобы таким образом разреженное воздушное пространство в цилиндре всегда оставалось запертым.

По расчётам И.Я. Конфедератова, это усовершенствование позволило Ньюкомену повысить коэфициент полезного действия своей паровой машины с 0,3% до 0,6%, а разреженность воздушного пространства в цилиндре до 50%.

После этого усовершенствования машина управлялась с помощью двух кранов. Когда конец балансира, прикреплённый к поршню цилиндра, был наверху, открывали кран для впрыскивания холодной воды под поршень, когда же наверху был конец балансира, прикреплённый к насосу, открывали кран для подачи пара под поршень. Краны были не винтовые, как в современной водопроводной сети, такие краны были предложены Н.Е. Жуковским лишь в конце XIX в., а поворотные. Достаточно было повернуть ручку крана на 90 градусов, и кран полностью открывался или, наоборот, закрывался.