O filho mais velho de um agricultor que era um mecânico notável localmente, Maxim foi aprendiz aos 14 anos de idade de um fabricante de carruagens. Exibindo um génio precoce para invenção, obteve a sua primeira patente em 1866, para um ferro de enrolar cabelo. Seu ferro foi seguido por um dispositivo para gerar gás iluminante e um farol de locomotiva. Em 1878 foi contratado como engenheiro-chefe da Companhia de Iluminação Eléctrica dos Estados Unidos, a primeira empresa do género nos Estados Unidos. Nesse posto ele produziu uma invenção básica, um método de fabricação de filamentos de carbono. Em 1881 ele exibiu um regulador de pressão elétrica na Exposição de Paris.

O seu interesse no problema das armas automáticas o levou a se estabelecer em Londres, onde em 1884 ele produziu a primeira metralhadora totalmente automática satisfatória, empregando o recuo do cano para ejetar os cartuchos gastos e recarregar a câmara. Para melhorar sua eficiência, ele desenvolveu seu próprio pó sem fumo, cordite. Em poucos anos, cada exército foi equipado com armas Maxim ou adaptações.

Nos anos 1890 Maxim experimentou aviões, produzindo um movido por um leve motor a vapor que se elevava do solo com sucesso; ele reconheceu que a verdadeira solução para voar era o motor de combustão interna, mas não tentou desenvolvê-lo. Suas centenas de patentes nos Estados Unidos e Grã-Bretanha incluíam uma ratoeira, um sistema de aspersão automática, uma bomba de água a vapor automática, bombas de vácuo, reguladores de motor e motores a gás.