Μια σταθερή ατμομηχανή χρησιμοποιεί την ισχύ ατμού για να οδηγεί όργανα άλλα από τα ίδια. Συνήθως χρησιμοποιούνταν για την τροφοδοσία γεφυρών, φραγμάτων, μύλους κίνησης και μηχανημάτων εργοστασίων. Αργότερα μοντέλα χρησιμοποιήθηκαν για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Τέτοιοι κινητήρες λειτουργούν από σταθερή θέση και δεν χρησιμοποιούνται ως τρόποι μεταφοράς, αν και μερικοί έχουν χρησιμοποιηθεί για την κίνηση τροχών σε ατμοπλοϊκά πλοία.
Οι βασικές ατμομηχανές λειτουργούν όταν ο ατμός υψηλής πίεσης μπαίνει σε έναν κύλινδρο. Αυτός ο κύλινδρος έχει ένα έμβολο που ωθείται προς μία κατεύθυνση από τον ατμό, διώχνοντας τον ψυχρό ατμό της εξάτμισης από έναν εξαερισμό και δημιουργώντας κίνηση μέσω της ράβδου του εμβόλου. Αυτή η κίνηση κινεί τους τροχούς ενός τρένου ατμού, σπρώχνοντας τον κινητήρα προς τα εμπρός. Τέτοιοι κινητήρες σπρώχνουν το έμβολο προς μία κατεύθυνση και μετά από την άλλη, εναλλάσσοντας σε ποιο άκρο του κυλίνδρου εισέρχεται ο ατμός.
Η πρώτη σταθερή ατμομηχανή εφευρέθηκε από τον Thomas Savery και στη συνέχεια βελτιώθηκε από τον Άγγλο Thomas Newcomen και τον Scot, James Watt. Το 1698, ο Savery εφηύρε μια ατμομηχανή που θα αντλούσε νερό από ένα ανθρακωρυχείο της Κορνουάλης. Το βασικό του σχέδιο βελτιώθηκε τον 18ο και 19ο αιώνα, αλλά αντικαταστάθηκε από τον ηλεκτρισμό και τον κινητήρα εσωτερικής καύσης τον 20ο.
Το 1705, ο Newcomen εφηύρε την πρώτη μηχανή δοκού. Αυτή η σταθερή ατμομηχανή χρησιμοποιούσε μια περιστρεφόμενη δέσμη συνδεδεμένη με έναν κατακόρυφο κύλινδρο εμβόλου από κάτω. Η Watt, μεταξύ άλλων, βελτίωσε τον κινητήρα με την προσθήκη ενός συμπιεστή. Η μηχανή δέσμης χρησιμοποιήθηκε κυρίως για την άντληση νερού και για τη λειτουργία τροχών μύλου. Χρησιμοποιήθηκε επίσης σε ατμόπλοια.
Μια βραχύβια παραλλαγή του ακίνητου κινητήρα ήταν ο επιτραπέζιος κινητήρας. Αυτός ο κινητήρας ήταν παρόμοιος με τον κινητήρα δοκού, αλλά καθόταν πάνω σε μια βάση τραπεζιού και ήταν συνδεδεμένος με έναν σφόνδυλο μέσω μιας μπιέλας και μιας εγκάρσιας κεφαλής. Ο Τζέιμς Σάντλερ εφηύρε τον κινητήρα και τον χρησιμοποίησε στους μύλους του Πόρτσμουθ. Σε σύγκριση με άλλους κινητήρες, ήταν τόσο αργός όσο και αδύναμος.
Ο George Henry Corliss, ένας Αμερικανός, πρόσθεσε περιστροφικές βαλβίδες στη βασική ιδέα της σταθερής μηχανής ατμού για να δημιουργήσει τον κινητήρα Corliss. Κατασκευάστηκε για πρώτη φορά το 1848, το Corliss επέτρεψε μεταβλητό χρονισμό στη λειτουργία των βαλβίδων του. Χρησιμοποιούνταν ως επί το πλείστον για άξονες σε εργοστάσια και για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με χρήση δυναμό, καθώς ήταν πολύ αποδοτικό στην κατανάλωση καυσίμου.
Το 1828, ο James Perkins ανέπτυξε τον κινητήρα Uniflow που χρησιμοποιούσε ημικύλινδρο και επέτρεπε στο έμβολο να κινείται μόνο προς μία κατεύθυνση. Καθώς τα καυσαέρια και ο ατμός καυσίμου εισέρχονταν πάντα στα ίδια άκρα του κυλίνδρου, οδηγούσε σε αυξημένη θερμική απόδοση. Το Uniflow προσαρμόστηκε για διάφορες ατμομηχανές, αλλά χρησιμοποιήθηκε κυρίως για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.
Ο Βρετανός εφευρέτης James Hornblower δημιούργησε την πρώτη σύνθετη σταθερή ατμομηχανή το 1781. Σκέφτηκε ότι εάν η ενέργεια και η δράση μπορούν να δημιουργηθούν από ατμό υπό πίεση σε έναν κύλινδρο, τότε ο ίδιος ατμός θα μπορούσε να μετακινηθεί σε έναν άλλο κύλινδρο για να παράγει περισσότερη ισχύ. Η Hornblower κατασκεύασε κινητήρες όπου υπήρχαν τουλάχιστον δύο κύλινδροι και κάθε έμβολο μετά το πρώτο αντιδρούσε σε χαμηλότερη πίεση.