Работала эта установка следующим образом. В исходном положении штанга насоса была опущена вниз, а поршень цилиндра поднят вверх. Открытием крана в цилиндр подавался пар, который вытеснял воздух. Затем цилиндр обливали холодной водой. Пар конденсировался, в цилиндре возникало сильно разреженное воздушное пространство, и под действием атмосферного давления поршень всасывался в цилиндр, т.е. вниз. Одновременно противоположный конец балансира поднимался вверх и тянул за собой штангу насоса вместе с укреплённым на ней грузом. В это время в насос всасывалась вода. Груз на штанге служил для аккумуляции потенциальной энергии. Затем пар из котла снова подавался в цилиндр, но на этот раз он уже служил для поднятия поршня вверх. В это же время штанга насоса опускалась вниз под давлением как груза, так и привязанного к ней конца балансира. Таким образом, вытеснение воды из цилиндра насоса происходило под действием двух сил: силой атмосферного давления, аккумулированного в грузе, и силой пара, оказывавшего давление на поршень.
Таким образом, паровая машина Ньюкомена отличалась от парового насоса Севери, во-первых, тем, что в ней пар давил не непосредственно на воду, а через поршень цилиндра. Это давало большую экономию топлива, потому что, соприкасаясь с водой, значительная часть пара конденсировалась, не произведя никакой работы. Поршень цилиндра, хоть и нагревается больше, чем вода, однако потери тепла и пара при этом в несколько раз меньше.
второе принципиальное отличие машины Ньюкомена – чёткое выделение трёх основных элементов: двигателя (паровой котёл и цилиндр), передаточного механизма (балансир) и рабочей части (насос).
Однако, когда кузнец Ньюкомен пытался запатентовать свою машину, ему отказали, потому что Севери запатентовал не только изобретённый им насос, но и сам принцип получения движения при помощи огня. В патенте Севери значилось, что он выдан "на новое изобретение для подъёма воды и получения движения для всех видов производства при помощи движущей силы огня". Ньюкомен не смог обойти эту формулировку патента Севери и вынужден был продолжать работу, не имея патентной защиты своего изобретения. Хорошо ещё, что ему удалось договориться с Севери, чтобы тот не препятствовал ему в этом.
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.
