Fils aîné d’un fermier qui était un mécanicien notable localement, Maxim est apprenti à 14 ans chez un carrossier. Faisant preuve d’un génie précoce pour l’invention, il obtient son premier brevet en 1866, pour un fer à friser les cheveux. Son fer est suivi d’un dispositif pour générer du gaz d’éclairage et d’un phare de locomotive. En 1878, il est engagé comme ingénieur en chef de la United States Electric Lighting Company, la première entreprise de ce type aux États-Unis. À ce poste, il réalise une invention fondamentale, une méthode de fabrication de filaments de carbone. En 1881, il expose un régulateur de pression électrique à l’Exposition de Paris.

Son intérêt pour le problème des armes automatiques l’amène à s’installer à Londres, où il produit en 1884 la première mitrailleuse entièrement automatique satisfaisante, utilisant le recul du canon pour éjecter les cartouches vides et recharger la chambre. Pour améliorer son efficacité, il a développé sa propre poudre sans fumée, la cordite. En quelques années, toutes les armées étaient équipées de canons Maxim ou d’adaptations.

Dans les années 1890, Maxim a expérimenté des avions, en produisant un alimenté par un moteur à vapeur léger qui a réussi à s’élever du sol ; il a reconnu que la véritable solution au vol était le moteur à combustion interne, mais n’a pas essayé de le développer. Ses centaines de brevets aux États-Unis et en Grande-Bretagne comprenaient une souricière, un système d’arrosage automatique, une pompe à eau automatique à vapeur, des pompes à vide, des régulateurs de moteur et des moteurs à gaz.

Sa Maxim Gun Company, fondée en 1884, a ensuite été absorbée par Vickers, Ltd, dont il est devenu un directeur. En 1900, il est naturalisé sujet britannique et, en 1901, il est fait chevalier par la reine Victoria.