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'스태퍼드셔의 위대한 제철업자'로 유명하며 철 가공을 위한 새로운 응용법들을 개발했으며, 제임스 와트의 증기기관이 성공을 거두는 데 필수적인 요소였던 천공기계를 고안해냈다. 20세 되던 해 스태퍼드셔로 이주했으며 빌스턴에 최초의 용광로를 건설했다.

1775년 기관의 실린더와 대포의 포신 안쪽을 비할 데 없이 정교하게 깎아낼 수 있는 새로운 기계를 제작한 것은 웨일스 덴비의 버섬에 있는 아버지의 공장에서였다. 이 기계의 정밀한 성능은 와트가 증기기관을 완성하는 것을 가능하게 했다. 뒤이어 윌킨슨은 와트와 제임스 몰턴이 만든 최초의 증기기관을 이용해 슈롭셔 브로슬리에 있는 자신의 대규모 제철소에서 대형공기 펌프를 가동시켰다. 그의 공장은 1779년 에이브러헴 더비 3세가 브로슬리의 세번 지역에 기념비적인 철제 교량을 완성할 수 있도록 상당량의 주물을 제작해 공급했다.

그의 또다른 혁신적인 발명은 1787년 당시 정부납품을 위해 그가 제작하던 대규모 포의 수송을 위해 철제로 외관을 입힌 바지선을 만든 것이었는데 당시로서는 대단한 반향을 불러일으켰다. 그는 프랑스인들에게 원통주물의 내부를 깎아 대포를 만드는 방법을 전수해주었으며 파리의 상수도설비에 필요한 수도관 등 모든 필요한 철재를 공급했다. 그의 생애에 걸맞게 그의 시신은 생전에 직접 설계한 철제 주물관에 넣어져 매장되었다.