Ο Έλληνας φυσικός, μαθηματικός και μηχανικός Ήρων, που έζησε στην Αλεξάνδρεια της Αιγύπτου πριν δύο χιλιάδες χρόνια περίπου, ήταν ο πρώτος που σκέφτηκε ότι ο ατμός μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κίνηση αντικειμένων. Επινόησε την αιολόσφαιρα (Αιόλου πύλαι), το πρώτο λειτουργικό πρότυπο θερμικής μηχανής.

Σχηματική αναπαράσταση της αιολόσφαιρας του Ήρωνα (1ος π.Χ. αιώνας). Είναι ο πρόδρομος των σύγχρονων ατμοστροβίλων και λίγο πολύ μοιάζει με μια σημερινή χύτρα ταχύτητας (πίεσης), της οποίας η περιστρεφόμενη από τον ατμό βαλβίδα ασφάλειας, αντιστοιχεί στην περιστρεφόμενη σφαίρα.

Μετά τον Ήρωνα δεν έγινε κάποια σημαντική προσπάθεια γα την εκμετάλλευση του ατμού ως κινητήριας δύναμης σε μηχανές. Αυτό γιατί ήδη οι άνθρωποι κάλυπταν τις ανάγκες τους σε ενέργεια μέσω απλών μηχανών, που κινούσαν είτε με τη μυϊκή δύναμή τους είτε με το ζέψιμο των ζώων. Η πρώτη περίπτωση εκμετάλλευσης του ατμού για πρακτικό σκοπό είναι η εφεύρεση της πρώτης μηχανής ατμού με έμβολο από τον Γάλλο φυσικό Παπέν το 1690. Λίγο αργότερα, το 1698, ο Άγγλος στρατιωτικός μηχανικός λοχαγός Σέιβερι εφεύρε την ατμοκίνητη αντλία, που δεν ήταν καθόλου αποδοτική και δεν μπορεί να χαρακτηρισθεί πετυχημένη.

Η ατμοκίνητη αντλία του Σέιβερι. Η μηχανή αυτή έπρεπε να εγκαθίσταται στον πυθμένα των βαθύτερων ορυχείων, γιατί δεν μπορούσε να τραβήξει τα νερά από βάθος μεγαλύτερο των 7-8 μέτρων.

Η μηχανή του Νιούκομεν. Αυτή χρησιμοποιούσε τον ατμό για να κινήσει ένα έμβολο μέσα σε κύλινδρο ύψους περίπου δύο μέτρων και διαμέτρου ενός μέτρου. Ο ατμός κινούσε μία αντλία, της οποίας ο σωλήνας αναρρόφησης έφτανε στον πυθμένα του ορυχείου και ανέβαζε το νερό στη επιφάνεια.

Το 1712, ο Άγγλος σιδεράς Νιούκομεν κατασκεύασε την πρώτη λειτουργική ατμομηχανή με έμβολο, αλλά κατάλληλη μόνο για να κινεί αντλίες στα ανθρακωρυχεία. Η εποχή του ατμού ξεκίνησε ουσιαστικά όταν ο Σκότος κατασκευαστής μαθηματικών οργάνων Τζέιμς Βατ,  γύρω στα 1770, κατάφερε να βελτιώσει την πρώτη ατμομηχανή, προσθέτοντας ξεχωριστό δοχείο, το συμπυκνωτή. Μείωσε έτσι κατά 75% την απαιτούμενη για τη λειτουργία της ποσότητα κάρβουνου, κάνοντας την ατμοκίνητη αντλία Βατ οικονομικότερη και αποδοτικότερη. Επίσης, επινοώντας κατάλληλους οδοντωτούς τροχούς (τον πλανητικό συμπλέκτη) κατάφερε να μετατρέψει την παλινδρομική κίνηση σε περιστροφική. Πλέον η περιστροφική ατμομηχανή του Βατ μπορούσε να κινεί με σταθερή ταχύτητα μηχανές εργοστασίων υφαντουργίας, χαρτοποιίας αλλά και αλευρόμυλων, σιδηρουργείων, διυλιστηρίων, διωρύγων και αντλιοστασίων ύδρευσης.

Διάγραμμα ατμομηχανής σχεδιασμένης από τον Βατ. Ένας ιμάντας κίνησης γύρω από το σφόνδυλο μπορούσε να μεταδίδει την κίνηση στις μηχανές ενός εργοστασίου.

Η ατμομηχανή του Βατ είχε επαναστατικές συνέπειες στην ανάπτυξη της βιομηχανίας και στην αύξηση της παραγωγής, που έμειναν στην ιστορία ως Βιομηχανική Επανάσταση, και από τις αρχές του 19ου αιώνα στις μεταφορές μετά την επινόηση της ατμάμαξας.
Η πρώτη ατμάμαξα (λοκομοτίβα) που κινιόταν σε σιδηροτροχιά κατασκευάστηκε από τον Άγγλο μηχανικό Τρέβιθικ το 1804. Στο πρώτο ταξίδι της μετέφερε 10 τόνους σίδερο και 70 επιβάτες, σύροντας πέντε βαγόνια με ταχύτητα περίπου 8 km/h σε απόσταση 16 χιλιομέτρων.

Η ατμάμαξα του Τρέβιθικ.

«Ρόκετ», η πρώτη ατμομηχανή του Στήβενσον.

Ο Άγγλος Στήβενσον κατασκεύασε την πρώτη εμπορικά αξιοποιήσιμη ατμομηχανή σιδηροδρόμου το 1825.
Από τη δεκαετία του 1830 οι σιδηρόδρομοι διαδόθηκαν στην Αγγλία, Γαλλία, Γερμανία, ΗΠΑ και αλλού, αλλάζοντας δραματικά τον τρόπο μεταφοράς των πρώτων υλών, των εμπορευμάτων και των ταξιδιωτών.

Σχηματικό διάγραμμα ατμομηχανής σιδηροδρόμου.

Η ατμομηχανή εφευρέθηκε και τελειοποιήθηκε κατά το μεγαλύτερο μέρος της από φιλόδοξους, ανήσυχους πρακτικούς μηχανικούς του 18ου αιώνα, που είχαν ξεκινήσει σαν απλοί εργάτες και τεχνίτες ή μηχανικοί μεταλλείων. Η συμβολή της επιστήμης στην ανάπτυξή της ήταν τότε μικρή και όπως ειπώθηκε: «Η επιστήμη οφείλει στην ατμομηχανή περισσότερα από όσα η ατμομηχανή στην επιστήμη».
Η εποχή της ατμομηχανής διήρκεσε σχεδόν 200 χρόνια, μέχρι που τη σκυτάλη ανέλαβαν οι μηχανές εσωτερικής καύσης, βενζινοκινητήρες και πετρελαιομηχανές, και οι ηλεκτροκινητήρες. Συνέχεια της ατμοκίνησης αποτελούν σήμερα οι ατμοστρόβιλοι, που χρησιμοποιούνται στα ατμοηλεκτρικά και πυρηνικά εργοστάσια παραγωγής ηλεκτρικής ισχύος.
Οι ατμομηχανές, οι ατμοστρόβιλοι, οι μηχανές εσωτερικής καύσης είναι μετατροπείς ενέργειας. Μετατρέπουν την ενέργεια του καυσίμου μέσω του θερμού ατμού ή των καυσαερίων σε άλλες διαφορετικές μορφές ενέργειας, με τις οποίες γίνεται δυνατή η εκτέλεση ποικίλων εργασιών.

Ο ατμοστρόβιλος (τουρμπίνα) είναι ένας τροχός με πτερύγια (φτερωτή). Η ενέργεια του ατμού που πέφτει πάνω στα πτερύγια, τον περιστρέφει. Σαν πρώτος ατμοστρόβιλος μπορεί να θεωρηθεί η αιολόσφαιρα του Ήρωνα. Ο πρώτος σύγχρονος ατμοστρόβιλος κατασκευάστηκε από τον Σουηδό μηχανικό ντε Λαβάλ το 1883.