Bekymret for farene arbeiderne i hans prestegjeld sto overfor når de jobbet med dampmaskinene, som ofte eksploderte på grunn av den dårlig kvaliteten i dampkjelens stålplater tilgjengelig på den tiden, bestemte han seg for å forbedre designet på trykkluftmotoren i håp om at dette ville gi et tryggere alternativ. Han fant opp hva han kalte «forvarmeren», nå generelt kjent som en regenerator, en anordning for å forbedre den termiske effektiviteten til en mengde prosesser, anskaffet et patent for «forvarmeren» og en motor som anvendte denne i 1816. Stirlings motor kunne ikke eksplodere, fordi den jobbet ved lavere trykk, og kunne heller ikke forårsake brannskader. I 1818 bygde han den første praktiske versjonen av hans motor, brukt til å pumpe vann fra et steinbrudd.