מתייחסים אל מקסוול כאל המדען בן המאה ה-19 שהשפיע בצורה הרבה ביותר על המאה ה-20. בשנת 1931, בחגיגות המאה להולדתו של מקסוול, תיאר איינשטיין את עבודתו של מקסוול כ"עמוקה והפורה ביותר בפיזיקה מאז ימי אייזק ניוטון".
כבר בילדותו גילה כישורים למתמטיקה: עבודה שעשה בגיל 14 הוצגה בחברה המלכותית למדעים באדינבורו. בגיל 16 התחיל ללמוד באוניברסיטת אדינבורו. בשנת 1850, לאחר קבלת תואר במתמטיקה, נסע לאוניברסיטת קיימברידג'. הוא סיים את לימודיו בה בשנת 1854.
בתקופה זו המשיך לעבוד על מחקר בנושא הצבעים שהתחיל אותו עוד באדינבורו וסיים בשנת 1855. הוא הוכיח, בין היתר, שצבע לבן הוא תוצאה של ערבוב ירוק, אדום וכחול.
"סרט טארטן", 1861, תצלום הצבע הראשון בהיסטוריה שאותו יצר מקסוול בעזרת שלושה דימויים ושלושה מקרנים
מקסוול תרם גם לתחום האופטיקה וראיית הצבעים, ולזכותו נזקף הגילוי שניתן ליצור צילום צבעוני בעזרת מסננים בצבעי אדום, ירוק וכחול. בהנחייתו צילם הצלםתומאס סקוט בשנת 1861 סרט טארטן. האובייקט צולם שלוש פעמים, כל פעם דרך מסנן אופטי בצבע שונה שהונח לפני עדשת המצלמה: מסנן אדום, ירוק וכחול. שלושת הדימויים פותחו ואחר כך הוקרנו דרך שלושה מקרנים שונים, על כל מקרן הושם מסנן בגוון בו צולם הדימוי אותו הקרין. שלושת המקרנים יצרו שלוש הקרנות בצבעים שונים של אותו הדימוי, וכאשר אוחדו שלוש ההקרנות, זו על גבי זו, נוצר דימוי רב-צבעים, ששחזר את צבעי האובייקט המקורי. היה זה תצלום הצבע הראשון בהיסטוריה. שלושת לוחות הצילום נמצאים כיום במוזיאון קטן ברחוב אינדיה מספר 14 באדינבורו, בבית בו נולד מקסוול.
התאוריה הקינטית של הגזים
אחת התגליות החשובות של מקסוול היא בתחום פיתוח התאוריה הקינטית של הגזים. בתחום זה תרם גם כעורך ניסויים וגם כמתמטיקאי. בשנת 1866 בנפרד מלודביג בולצמן ניסח את התאוריה הקינטית של הגזים (הקרויה כיום על שם מקסוול-בולצמן). הנוסחה שלו (התפלגות מקסוול) נותנת אפשרות לחשב מהו אחוז המולקולות של גז שנע במהירות מסוימת בטמפרטורה נתונה. גישת מקסוול אפשרה להכליל חוקים ידועים של תרמודינמיקה ולהסביר בצורה טובה יותר את התצפיות והניסויים השונים. עבודתו של מקסוול בתחום זה אפשרה לו להמציא ניסוי מחשבתי הידוע כשד של מקסוול.
מקסוול הוכיח את התפשטות השדות בצורת גל במהירות הניתנת לחישוב. לפי חישוביו מהירות זו היא 310,740,000 מטר לשנייה. באותה תקופה האמין מקסוול שלצורך התפשטות האור נדרש תווך מיוחד, אתר. עם הזמן, התברר שקיומו של תווך זה אינו ניתן להבחנה בשום אמצעי ואינו מתיישב עם תוצאות ניסוי מייקלסון-מורלי. קשיים אלו נתנו השראה לאלברט איינשטיין לנסח את תורת היחסות.
עבודות אלו נחשבות לאחד מההישגים הגדולים של הפיזיקה במאה ה-19.
מתמטיקה
בשנים 1867–1868 פרסם את "On governors". בשנותיה הראשונות של תורת הבקרה, נחשבה עבודה זו לעבודה קלאסית.
הנצחתו
מקסוול דורג במקום ה-24 ברשימת האנשים המשפיעים בהיסטוריה של מיכאל חארט, ובמקום ה-89 בסקר של ה-BBC על הבריטים המפורסמים.
