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제임스 와트의 증기기관 연구에 자금을 지원하고 그 증기기관을 도입했다.

아버지의 기계설비 사업을 경영한 뒤, 1762년 버밍엄 근처에 소호 공장을 지었다. 이 공장에서는 금·은박 단추와 버클 같은 작은 금속제품 및 은도금을 비롯해 여러 가지 다른 품목을 생산했다. 1768년 그는 제임스 와트를 알게 되었다.

자신의 공장에서 쓸 동력원이 필요했기 때문에 와트의 발명품에 관심을 기울였다. 제조업자인 존 로벅이 파산하자, 와트가 최초로 만든 증기기관(1769)의 특허권 가운데 로벅이 가지고 있던 지분을 부채지불 대가로 인수했다. 1775년 와트와 동업으로 증기기관 사업을 시작했고, 25년 동안 유효한 특허권을 얻었다. 기술자 겸 발명가인 윌리엄 머독의 도움을 받아 증기기관회사를 세우고, 처음으로 코니시 주석광산의 배수를 위한 펌프엔진을 설치했다. 볼턴은 공업에서 증기력에 대한 수요가 클 것이라고 예견하고, 와트를 격려하여 복동식 회전기관(1782년 특허 받음)과 자신의 공장에서 래핑 기계를 운전하는 데 쓸 와트 기관(1788)을 설계하도록 했다.

1786년 증기력을 주화제조 기계에 응용하여 1790년에 특허를 받았다. 동인도회사에 많은 양의 주화를 만들어 주었고, 왕립조폐국에 주화제조기계를 공급하기도 했다. 1785년 왕립협회 회원이 되었고, 1807년 버밍엄에 극장을 세웠다.

1800년경 아들인 매튜 로빈슨 볼턴이 아버지가 가진 회사지분을 물려받았을 때, 500대에 이르는 증기기관들이 영국 제도와 해외에 설치되어 있었다.