于是，他开始着手研制新的蒸汽机车，他把当时的立式锅炉改为卧式锅炉，用扩大炉膛的办法，来增加锅炉的受热面积。
并且，机车改用了卧式锅炉，高度降低，行走、转弯就平稳多了，也更灵活了。
他还在车轮的圆边上加上了轮缘，防止火车发生出轨事故，以保证行车安。
就这样，经过多年的研究和反复的试验，1814年，斯蒂芬森制造出了一台名叫‘半统靴’号的火车头。
斯蒂芬森亲自驾驶这个火车头，在煤矿进行了试车表演。
试车结果，这台经过改进的火车头果然比以前的火车头拉得多，跑得快，美中不足的是，这个火车头的震动仍然太厉害。
在试车过程中，由于机车上的螺栓被震松了，结果翻了车，把乘在车上的一名英国国会议员和英国交通公司董事长摔伤了。
这样一来，许多人嘲笑和指责斯蒂芬森，连一些原来赞成试验的官员也断言用蒸汽机作交通工具是根本不可能的。
斯蒂芬森并没有因此而止步不前。他以巨大的勇气和毅力，决心对火车头继续进行研究和改造。
为了减轻火车行进时的震动，斯蒂芬森经过多次试验，终于成功地在火车上装置了减震弹簧。
为了增大锅炉所产生的蒸汽量，斯蒂芬森从薄玻璃杯传热快、不会炸裂中得到启示，没有采用增加锅炉壁厚度的办法，而是让加入锅炉的冷水先经过预热管预热，这样就避免了因温度骤起变化引起锅炉破裂。
他还采取了许多改进措施，如把汽缸里的废气用小管通到烟筒里去，利用它向上的冲力，使煤烟出得比原来更通畅，这就使得炉膛中的空气循环加快了，大大提高了煤的燃烧质量，噪声也减少了。
经过这一系列的改进，斯蒂芬森终于造出了牵引力大、运行安的‘旅行’号机车。
这以后，从1823年开始，斯蒂芬森应聘负责修建从斯托林克顿到达林顿的铁路，历时两年终于建成。
1825年9月27日清晨，天还没有大亮，斯托林克顿的许多居民早早起了床，有的步行，有的骑马，有的坐车，络绎不绝地向同一地点赶去。
原来就在这一天，斯蒂芬森要亲自驾驶‘旅行’号拖着6节煤车和20节挤满乘客的车厢，轰隆隆地向达林顿方向驶去。
人们欢呼雀跃，有些骑马的小伙子，催马紧随在火车后面，一边奔跑一边大声喝彩。
当这列火车以每小时24千米的速度，越过中途的一个大斜坡，安到达终点站达林顿的时候，斯蒂芬森才发现，列车上竟载了450个乘客加上6节煤车，载重量已经达到了90千克！
他欣喜若狂！
在成功和荣誉面前，斯蒂芬森并没有自我陶醉，就此止步。
他继续致力于火车的研究和改进工作，和他的儿子罗伯特·斯蒂芬森一起，设计制造出了一台取名‘火箭’号的新火车头。
就在这期间，英国政府决定在利物浦和曼彻斯特两大城市之间修筑一条铁路。