Dzięki znajomości maszyn w zakładzie ojca wierzył, że może sobie z tym wyzwaniem poradzić. Początkowo pracował z kilkoma kolegami, ale szybko wykupił ich udziały, gdy stracili zainteresowanie projektem. W owym czasie skonstruował element zwijający bibułkę wokół tytoniu, wykonany z blachy mosiężnej.
W 1878 został przez rodziców wysłany do Roanoke College w Salem, ale był już wówczas tak zaprzątnięty ideą zbudowania maszyny wytwarzającej papierosy, że zaniedbywał naukę i ostatecznie przerwał ją. Dostał wówczas od ojca przestrzeń na mały warsztat w zakładzie. Powstał w nim mechanizm zasilania zwijacza (w czym miał udział brat Jamesa) i nóż automatycznie odcinający gotowe papierosy. Podjęta wówczas próba opatentowania rozwiązań doprowadziła do odkrycia, że trzy lata wcześniej patent na podobną, ale mniej sprawną maszynę uzyskał Albert Hook. Ostatecznie Jacob Bonsack, wierzący w talent syna, wyłożył 18 000 USD (ponad 460 tys. USD w cenach z 2019) na wykupienie patentu Hooka. Gdy maszyna Bonsacka była gotowa do przetransportowania do siedziby Allen and Ginter Tobacco Company, spłonęła na stacji kolejowej w Lynchburgu. Za wypłacone mu odszkodowanie Bonsack odbudował ją w ulepszonej postaci i złożył wnioski o patenty, które zostały przyznane w 1881: patent USA numer 238 640 od 8 marca 1881 r.