I 1803 fikk Woolf patent på en forbedret dampkjele for å produsere damp med høyt trykk. To år etter fikk han patent på den oppfinnelsen han er kjent for, nemlig compound dampmaskinen. Hvilket vil si en dampmaskin der dampens utnyttes i to trinn i hver sin sylinder. Denne hadde en termisk virkningsgrad på 7,5 %, nesten to ganger så mye som ingeniøren James Watt's (1736–1819) atmosfæriske dampmaskin. Dette regnes som et viktig bidrag til utvikling av stempeldrevne dampmaskiner.