Den ældste søn af en landmand, der var en lokalt kendt mekaniker, kom Maxim som 14-årig i lære hos en vognmager. Han udviste tidligt et geni for opfindelser og fik sit første patent i 1866 på et hårkrøllejern. Hans jern blev efterfulgt af en anordning til at generere lysende gas og en forlygte til lokomotiver. I 1878 blev han ansat som chefingeniør i United States Electric Lighting Company, som var det første selskab af denne art i USA. I denne stilling lavede han en grundlæggende opfindelse, en metode til fremstilling af kulfilamenter. I 1881 udstillede han en elektrisk trykregulator på udstillingen i Paris.

Hans interesse for problemet med automatiske våben fik ham til at slå sig ned i London, hvor han i 1884 fremstillede den første tilfredsstillende fuldautomatiske maskinpistol, der anvender løbets rekyl til at skubbe de brugte patroner ud og genopfylde kammeret. For at forbedre dens effektivitet udviklede han sit eget røgfri krudt, cordit, for at forbedre dens effektivitet. I løbet af få år var alle hæren udstyret med Maxim-geværer eller tilpasninger.

I 1890’erne eksperimenterede Maxim med flyvemaskiner og fremstillede en, der blev drevet af en let dampmotor, som med succes rejste sig fra jorden; han erkendte, at den virkelige løsning på flyvning var forbrændingsmotoren, men forsøgte ikke at udvikle den. Hans hundredvis af patenter i USA og Storbritannien omfattede en musefælde, et automatisk sprinklersystem, en automatisk dampdrevet vandpumpe, vakuumpumper, motorregulatorer og gasmotorer.

Hans Maxim Gun Company, der blev grundlagt i 1884, blev senere opslugt i Vickers, Ltd., som han blev direktør for. I 1900 blev han naturaliseret britisk statsborger, og i 1901 blev han slået til ridder af dronning Victoria.