Avant de pouvoir réaliser un premier prototype de cette fameuse machine, Papin devra passer beaucoup de temps dans une série d'essais, s'inspirant des recherches de Von Guericke et de Huygens. Au départ, il à l'idée de perfectionner l'invention de Huygens et va substituer la vapeur d'eau à la poudre à canon, car la brusque condensation de la vapeur dans le cylindre ou coulisse le piston, créait un vide partiel. Sa première machine n'est en fait qu'un simple cylindre muni d'un piston. Un peu d'eau introduite dans le cylindre est alors chauffée et la vapeur produite pousse le piston vers le haut. Ce dernier se bloque à une certaine hauteur grâce à une petite tige. A ce moment précis, il suffit de retirer la "marmite" du feu et d'attendre que la vapeur se refroidisse et se retransforme en eau en eau. Par ce principe, un vide est créé dans le piston. Il ne reste plus qu'à relâcher ce dernier en débloquant la tige pour qu'il soit poussé violemment vers le bas sous l'action de la pression atmosphérique. Le but de cette expérience est de soulever des fardeaux et de soulager les hommes des peines les plus lourdes.

En 1679, en étant le premier à trouver le moyen de confiner de la vapeur en espace clos, grâce à la soupape de sûreté, il met au point sa "marmite", plus connue sous le nom de "Digesteur". C'est tout simplement l'ancêtre de l'auto-cuiseur ou, plus familièrement, la "Cocotte-minute".

Attiré par la science britannique, il s'embarque ensuite pour Londres. En 1687, après avoir travaillé avec Huygens, il fut chassé de Paris suite à la révocation de l'édit de Nantes en 1685. Papin était protestant. Réfugié en Allemagne (ou plutôt Autriche-Hongrie à l'époque), il travailla comme professeur de mathématiques à l'université de Marbourg. Par ses différentes expériences, et par intuition, il parvient à faire le vide parfait au dessous d'un piston, en y faisant condenser de la vapeur. Il donne là une première théorie d'une machine fonctionnant par le jeu alternatif d'un piston. En utilisant de la poudre à canon enflammée sous le piston, il fait remonter ce dernier en chassant l'air du cylindre par des soupapes. L'expérience sera réalisée en 1688 et la découverte publiée en 1690 dans les Actes des érudits de Leipzig. En 1696, à la demande du Duc de Hesse, qui voulait créer des fontaines dans ses jardins, Papin conçut une machine atmosphérique à piston flottant, "la machine à élever l'eau". Ce dispositif ne fonctionna pas très longtemps puisque la colonne d'eau montante éclata. Cet échec mit fin aux relations entre les deux hommes. Mais l'invention ne sera pas oubliée.

Si ce système fonctionnait, on ne pouvait recommencer l'opération qu'au bout de plusieurs minutes, le temps de laisser refroidir le cylindre. La machine atmosphérique à piston flottant ou machine de Denis Papin n'est donc qu'une tentative ratée, mais qui va mettre d'autres chercheurs sur la bonne piste, tels que Thomas Savery et Thomas Newcomen. Papin, qui devint en 1687 professeur à Marbourg, travailla pour le Duc de Hesse. Ce dernier, voulant créer des fontaines dans ses jardins de Kassel, demanda à Papin de lui fabriquer la machine qui lui permettra d'obtenir de jolis jets d'eau. On peut voir cette machine aux Musée des Arts et Métiers. La machine fonctionnait selon le principe suivant : La vapeur est obtenue en chauffant l'eau dans la chaudière (1) équipée d'une soupape de sûreté (2). L'eau contenue dans cette chaudière est alors transformée en vapeur d'eau. Cette dernière est transférée dans un récipient (3) muni d'un flotteur (4). Ce dernier joue le rôle de piston. Le robinet (5) sert à évacuer la vapeur. Selon le principe décrit plus haut, le piston est alors repoussé et propulse l'eau qui arrive du réservoir par ouverture de la soupape (6) vers la colonne (8) dont la soupape (7) s'ouvre. L'eau arrive dans le réservoir situé en hauteur et s'écoule par la suite vers la fontaine (10).

En 1707, Denis Papin poursuit un projet de bateau à vapeur dont les études débutèrent en 1690. On pense que ce navire était doté de "La machine à élever l'eau", identique à celle qu'il utilisa pour les jardins du Duc de Hesse. Le bateau sera mis à l'eau et testé sur la Fulda. Une fois prêt, en 1707, Papin demandera l'autorisation de rejoindre la Mer du Nord. Sans réponse, il décidera alors de ne plus attendre et prend le large. A quelques kilomètres de Cassel, au confluent de la Fulda et de la Weser, Papin doit acquitter un droit de passage à la guilde des bateliers de la Weser qui refuse de laisser passer le bateau. refusant de payer, Papin se plaindra aux autorités. Malgré cela, les bateliers, furieux, tireront le bateau sur la rive dans la nuit du 26 au 28 juillet et ils y mettront le feu. Dépité, Papin rejoindra Londres en 1708, sans sa femme et sa belle-fille, retournées à Cassel.

Après l'échec de son bateau, et une fois à Londres, Papin écrit un mémoire sur son bateau, qui n'intéresse malheureusement personne. Sans nouvelles de sa femme et délaissé par ses collègue, Denis Papin s'enfonce dans la déprime et ses finances deviennent de plus en plus réduites. A force de solliciter les gens, il finit par agacer et se voit rejeter de partout. Sa dernière lettre est pour son ami le docteur Sloane. La suite est un mystère. Certains situe sa mort en 1712, d'autres en 1714. Ce qui est sur, c'est que l'un des plus grands inventeur français a finit dans une fosse commune en Grande-Bretagne. Il faudra attendre plus d'un siècle pour qu'il soit reconnu comme l'inventeur de la machine à vapeur, ouvrant la voie à de nombreuses réalisations qui mèneront à l'automobile (et à celle de Cugnot en particulier).

Après l'échec de son bateau, et une fois à Londres, Papin écrit un mémoire sur son bateau, qui n'intéresse malheureusement personne. Sans nouvelles de sa femme et délaissé par ses collègue, Denis Papin s'enfonce dans la déprime et ses finances deviennent de plus en plus réduites. A force de solliciter les gens, il finit par agacer et se voit rejeter de partout. Sa dernière lettre est pour son ami le docteur Sloane. La suite est un mystère. Certains situe sa mort en 1712, d'autres en 1714. Ce qui est sur, c'est que l'un des plus grands inventeur français a finit dans une fosse commune en Grande-Bretagne. Il faudra attendre plus d'un siècle pour qu'il soit reconnu comme l'inventeur de la machine à vapeur, ouvrant la voie à de nombreuses réalisations qui mèneront à l'automobile (et à celle de Cugnot en particulier).