Угроза сослужила свою службу. Изобретатель стал искать выхода из положения. Заметив, что газы выходят из дымовых труб с меньшей скоростью, чем пар из цилиндров, Стефенсон при помощи соединительных труб отвел отработавший пар в дымовую трубу. При этом он опять-таки заново открыл то, что было известно Тревитику, а именно, что пар, увлекая с собою отходящие газы через дымовую трубу наружу, производит в топке разрежение воздуха, вследствие чего притекающий снизу внешний воздух вызывает усиленное сгорание топлива, тем самым заметно повышая парообразование.
Таким образом, вслед за Тревитиком, Стефенсон пришел к идее аппарата, получившего впоследствии название конуса.
В следующем году Стефенсон построил второй, улучшенный паровоз. На этот раз он выкинул из конструкции зубчатую передачу и соединил непосредственно через систему шатуна и кривошипа поршни цилиндров с ведущими колесами паровоза. Спаривание ведущих колес он произвел посредством цепи, однако цепь скоро изнашивалась. Впоследствии этот способ был заменен другим: на колеса стали накладывать снаружи соединительные дышла. В этом виде паровоз Стефенсона конструктивно пошел уже значительно дальше своих предшественников: машина обладала двумя цилиндрами, конусом, внешним спариванием колес и непосредственной связью между паровыми цилиндрами и ведущими колесами. Для того, чтобы вполне приблизиться в общих чертах своих к современному нам паровозу, этой машине нехватало только многотрубного котла.
Одновременно с постройкой паровоза для Келлингвортских рудников Стефенсон стремился улучшить и самый путь.
— Паровоз и рельсы должны подходить друг к другу, как отец и мать… — смеясь говорил Стефенсон.
В те времена рельсы делались очень короткими, стыки их поэтому были очень часты. К тому же стыки покоились на железных подкладках, уложенных в свою очередь на каменных подушках, так что если подушки были положены не вполне горизонтально, то под тяжестью паровоза один конец рельса поднимался, а конец другого опускался. Дергание, тряска были на стыках так сильны, что скачки паровоза вели к разрушению его непрочных частей. Стефенсон начал исправление пути с того, что раздвинул подушки, а стыковым подкладкам придал форму дуги, в которую укладывались рельсы, оструганные так, что они входили один в другой. Снабдив затем паровоз подвесными рессорами, Стефенсон достиг того, что толчки значительно смягчились.
Произведя одновременно ряд тщательных опытов, он убедился, что путь должен быть проложен по возможности горизонтально и что неизбежные при таком пути насыпи и выемки, как бы ни были они дороги, все же являются наиболее выгодным способом постройки железной дороги.
Улучшения, внесенные Стефенсоном на Келлингвортских рудничных путях, превратили эту линию в показательную. Стефенсон начал получать приглашения от других рудников. В 1819 году он переоборудовал, по просьбе владельцев, рудничную дорогу Хеттонских угольных копей в железную дорогу с паровой тягой. Дорога эта, протяжением в двенадцать километров, соединила копи с пристанью на реке Сендерленд.
Местность здесь была гористой. Не имея возможности перестроить линию согласно своим взглядам на дело, Стефенсон применил на более горизонтальных участках паровозную тягу, а на крутых подъемах поставил стационарные паровые машины, которые втягивали вагоны наверх при помощи канатов. Эта дорога, увеличившая опыт Стефенсона, начала работать в 1822 году. Она обслуживалась пятью паровозами, тянувшими поезда в 17 вагонов, со скоростью не более шести-семи километров в час. О перевозке людей в это время еще никто не думал.
Еще до открытия этой линии, Стефенсон был приглашен в качестве главного инженера, на постройку линии Стоктон-Дарлингтон. Инициатором постройки дороги, столетие которой Англия праздновала в 1925 году с большим торжеством, как первой железной дороги в мире, был некий Эдуард Пиз из Дарлингтона. Он организовал нечто в роде акционерного общества, которое и обратилось в парламент за разрешением построить деревянно-колейную дорогу между Стоктоном и Дарлингтоном.
Вокруг проекта разгорелись ожесточенные споры. Пользовавшийся огромным влиянием герцог Кливелендский решительно восстал против него, главным образом потому, что дорога могла помешать его охоте на лисиц. Обществу пришлось оставить в покое герцога и его лисиц и выбрать другое направление пути, на которое согласился парламент. Узнав обо всем этом предприятии, Стефенсон отправился в Дарлингтон и, как свое кровное дело, стал защищать перед Пизом свой проект. Вместо деревянной — он предлагал строить железную дорогу, а наряду с конной и канатной тягой, применить также и паровозную. Пиз не только согласился с доводами Стефенсона, но и поручил ему строительство.