Maxim 14 évesen egy helyben neves mechanikusnak számító földműves legidősebb fiaként egy kocsikészítőhöz került tanoncnak. Korán megmutatkozó találékonyságáról tanúbizonyságot téve 1866-ban kapta meg első szabadalmát egy hajgöndörítő vasalóra. Vasalóját egy világítógáz előállítására szolgáló készülék és egy mozdony fényszórója követte. 1878-ban felvették a United States Electric Lighting Company főmérnökének, amely az első ilyen vállalat volt az Egyesült Államokban. Ezen a poszton hozta létre alapvető találmányát, a szénszálak előállításának módszerét. 1881-ben a párizsi kiállításon kiállított egy elektromos nyomásszabályozót.

Az automata fegyverek problémája iránti érdeklődése miatt Londonban telepedett le, ahol 1884-ben elkészítette az első kielégítő, teljesen automata gépfegyvert, amely a cső visszarúgását használta az elhasznált töltények kidobására és a tár újratöltésére. A hatékonyság javítása érdekében kifejlesztette saját füstmentes lőporát, a korditot. Néhány éven belül minden hadsereg Maxim-fegyverekkel vagy azok átalakításaival volt felszerelve.

Az 1890-es években Maxim repülőgépekkel kísérletezett, egy könnyű gőzgéppel hajtott gépet készített, amely sikeresen felemelkedett a földről; felismerte, hogy a repülés igazi megoldása a belsőégésű motor, de nem próbálkozott annak kifejlesztésével. Több száz szabadalma az Egyesült Államokban és Nagy-Britanniában többek között egérfogóra, automata locsolórendszerre, automata gőzüzemű vízszivattyúra, vákuumszivattyúkra, motorszabályozókra és gázmotorokra vonatkozott.

Az 1884-ben alapított Maxim Gun Company később beolvadt a Vickers, Ltd.-be, amelynek igazgatója lett. 1900-ban honosított brit állampolgár lett, 1901-ben pedig Viktória királynő lovaggá ütötte.