1800年，詹姆斯?瓦特的蒸汽机专利保护期到期。这意味着人们可以制造任何使用蒸汽机作为动力的机械装置，而不必为此支付高昂的专利使用费。此后，许多人都开始积极发明使用蒸汽机作为基础的机械装置。当然，大部分人都不具备伟大发明家的潜质，多数人的发明和创意仅仅停留在图纸上。
瓦特曾经在1769年申请的专利中，提到过高压蒸汽机的概念。但他并没有真正尝试制造过高压蒸汽机，申请专利是为了确保这种设计概念能为自己所专有，不会被别人使用。瓦特当时认为，制造高压蒸汽机最大的困难在于，无法制造出高压条件下确保蒸汽密封的气缸和活塞，甚至会出现锅炉爆炸的恶果。
詹姆斯·瓦特发明的改良蒸汽机，为蒸汽动力成功用于铁路运输奠定了最初的基础。
另一位著名发明家里查特?特莱维西克也想到了高压蒸汽机，但许多批评人士却都不相信高压蒸汽机能从事任何工作。当时英国许多煤矿都铺设有木制或铸铁轨道，但这些轨道上行驶的运煤车却是用骡马牵引的。特莱维西克后来在南威尔士遇到了一名煤矿矿主，他同样拒绝相信特莱维西克所说的蒸汽机机车能牵引10吨的重物走完16公里的路程。特莱维西克决定和他打赌，随后他在1804年制造了世界上第一台蒸汽机车，并成功赢得了这次赌博。
但是特莱维西克的这台鼻祖蒸汽机车却不够成功。1808年，他试图让自己的发明能引起公众的兴趣，他租下了一大片场地，建造了一圈环形轨道。观众们买了门票就能进去看奇妙的蒸汽机车，还能做上机车跑几圈。但是这样的玩具式运作并未引起广大公众的兴趣。特莱维西克也逐渐失去了信心，转向了其他发明领域，把蒸汽机车的事情丢在了一边。
世界上第一台蒸汽机车的发明者特莱维西克
特莱维西克发明的“鼻祖”蒸汽机车
特莱维西克曾将蒸汽机车作为伦敦市民的猎奇玩物，他的蒸汽机车实用性不足，没能取得最后的成功。
下一位登场的发明大师就是后来被誉为“蒸汽机车之父”的乔治?史蒂芬森。史蒂芬森出生于1781年，他的父母都是文盲，既不识字更不会写字。他的父亲是一名消防队员，收入微薄，根本没有能力支付学费，好让史蒂芬森念书。17岁时史蒂芬森开始工作，他知道读书的重要，便自己挣钱到夜校读书，学习读书写字和算术。1801年时史蒂芬森在一座矿山当上了一名机械操作员，为了弥补家用，史蒂芬森凭借出色的动手能力自己做鞋子，还为别人修理钟表。
实用型蒸汽机车之父——乔治·史蒂芬森
1815年时，史蒂芬森注意到不少矿山因为井下瓦斯遇到明火发生爆炸的惨剧，于是他反复试验，发明了一种矿山安全照明灯。但也就在同时，另一位著名科学家戴维也发明了类似的照明灯，由于史蒂芬森没有良好的教育背景，大多数人都认为史蒂芬森剽窃了戴维的成果，但实际上史蒂芬森研究安全灯的时间，比戴维还早。无论如何，安全灯的事件让史蒂芬森背上了坏名声，但他自己却没有气馁，继续从事自己喜爱的发明事业。
在蒸汽机车的历史上，史蒂芬森的发明意义巨大。有趣的是，史蒂芬森最开始的尝试并没有取得他期望的成功。最需要运输动力的矿主们当时并不认为原始的蒸汽机车在运煤方面，能比马匹干得更好。特莱维西克1804年设计出世界上第一台真正的蒸汽机车之后，曾为泰恩赛德的一位矿主制造了一台蒸汽机车，用于运输矿石。在他的影响下，泰恩赛德当地有好几个人都设计出自己的蒸汽机车。因为对矿山的工作较为熟悉，史蒂芬森很早就开始关注蒸汽机车的设计。1814年，史蒂芬森设计出自己的第一台蒸汽机车，这种机车可以在基林沃斯矿区的车道上运煤，被命名为布吕歇尔。这台蒸汽机车能牵引30吨重的煤炭拖车以每小时6.4公里的速度上坡，是第一台成功使用凸缘车轮的蒸汽机车。史蒂芬森在基林沃斯总共制造了16台机车，其中大多数用作当地煤矿的运煤机车。1817年，斯蒂芬森为基尔马诺克到特鲁恩的铁路建造了一台6轮蒸汽机车，但使用不久后发现车辆对铸铁制造的铁轨损坏十分严重，被迫停止使用。当时许多地方的“铁轨”是木头或铸铁制成的，史蒂芬森的机车重量太重，木制轨道无法承受，而当时的铸铁轨道脆性过大，也难以长期使用。于是史蒂芬森着手改进铸铁轨道的设计，以减少轨道损坏。为了减少机车对轨道的压力，他增加了车轮数量。
1821年，英国决定在斯托克顿和达灵顿之间修建一条铁道，这条铁道长40公里，将把一些煤矿出产的煤炭运往码头。原本当地政府计划依旧使用马匹牵引煤车在铁轨上运煤，但史蒂芬森成功说服了决策者，将计划改为使用蒸汽机车。1821年史蒂芬森详细考察了铁轨线路，同年铁道开始修建。
史蒂芬森必须为新铁道提供性能可靠的蒸汽机车，1825年，史蒂芬森完成了第一辆实用型机车，同年9月27日，铁道正式开始运营。史蒂芬森亲自驾驶机车拖着80吨重的煤车在两小时内行驶了15公里，某些路段时速达到了39公里。在开通仪式上，机车还挂上了一节客车车厢，里面乘坐着好奇的达官贵人们。这是有史以来首次以蒸汽为动力的铁路旅客运输。新铁道使用的是锻造铁轨，这种铁轨更结实耐用，能够承受沉重的蒸汽机车。史蒂芬森为新铁道选定的轨距是4英尺8.5英寸（1435毫米）的铁道轨距，被称为“史蒂芬森轨距”，今天已经成为世界铁道的标准轨距。在试运行中，史蒂芬森发现，很小的上坡路也会让蒸汽机车耗费极大的功率。即使存在1/260的坡度，蒸汽机车也要浪费一半的功率。据此他得出结论，铁轨必须尽可能水平铺设。
1829年，英国政府修建了从利物浦到曼彻斯特的铁道。在铁路接近建成时，英国政府却仍然拿不定主意在铁路上采用何种运输工具。许多技术人士给政府提出了许多稀奇古怪的方案，但大多数都无法实现。这些建议中，最可行的就是在铁路两端建造固定式蒸汽机，利用蒸汽动力带动绞车通过绳索拉动铁道车。但在史蒂芬森看来，这样的方案仍然无法发挥蒸汽机的效率，他积极建议政府直接采取蒸汽机车作为动力，为了打消政府的顾虑，他建议政府举行蒸汽机车的竞赛，通过竞赛来选择可靠实用的蒸汽机车投入铁路运营。当局采纳了史蒂芬森的建议，决定举行一次蒸汽机车竞赛，根据竞赛的结果来决定由谁来负责制造这条铁道上运营的蒸汽机车。竞赛定于10月举行，所有参赛者派出的蒸汽机车重量不能超过6吨，而且要能在铁道上完成总长97公里的赛程。
当时有4台蒸汽机车宣布参与比赛。其中一辆在运输前往比赛场地的途中损坏，且重量超出了比赛的规定。另有两台蒸汽机车由于存在机械问题被取消了比赛资格。结果只有史蒂芬森的“火箭号”蒸汽机车留了下来。史蒂芬森蒸汽机车最大的优势是采用了管式锅炉——那是铁道公司叫作布斯的一位管理者帮助设计的，这种锅炉极大地改善了热交换效率，让蒸汽机如虎添翼。蒸汽驱动气缸里的活塞运动，将动力直接传递给前轴。在进行了改进之后，史蒂芬森蒸汽机车能够拖动装载30多人的车厢以每小时45公里的速度行驶。这是巨大的成功！这次竞赛获得的奖金，被平均分给了史蒂芬森和布斯，管式锅炉的发明者。由于成功赢得了比赛，史蒂芬森一下子名声大噪。
博物馆收藏的夺得1829年蒸汽机车大赛冠军的史蒂芬森“火箭号”实物
1909年制作的史蒂芬森“火箭号”剖视模型，可以清楚地看到史蒂芬森蒸汽机车采用的管式锅炉设计。
1839年9月15日，利物浦-曼彻斯特铁路举行竣工仪式，政府和工业界的名流纷纷出席，连英国首相威灵顿公爵也出现在典礼现场。仪式上，使蒂芬森主持制造的8台蒸汽机车隆隆开动，从利物浦出发，成为当时最为著名的盛况。也是在这一天，利物浦议会议员威廉·姆哈斯基森因为距离铁轨太近，不幸被“火箭号”机车撞到受了重伤，史蒂芬森立即用火车将他运往附近的医院，但后者还是伤重身亡，成了最早的蒸汽机车事故的受害者。无论如何，史蒂芬森的蒸汽机车大获成功，颠覆了先前人们对蒸汽机车的怀疑和排斥，此后史蒂芬森被任命为其他多条铁路工程的总工程师。蒸汽机车作为铁道运输动力霸主的时代，从此开启。
史蒂芬森“火箭号”蒸汽机车的复制品
为了纪念史蒂芬森，英国政府将他的肖像和“火箭号”的形象印在了5英镑面值的纸币上。
1837年的伦敦-伯明翰铁路车站站台内景，可见当时的客车车厢尚为敞篷设计。
