Den äldsta sonen till en bonde som var en lokalt känd mekaniker, Maxim gick vid 14 års ålder i lära hos en vagnsmakare. Han uppvisade tidigt ett geni för uppfinningar och fick sitt första patent 1866 för ett hårlockjärn. Strykjärnet följdes av en anordning för att generera lysande gas och en strålkastare för lokomotiv. År 1878 anställdes han som chefsingenjör för United States Electric Lighting Company, det första företaget av detta slag i USA. På den posten gjorde han en grundläggande uppfinning, en metod för att tillverka koltrådar. År 1881 ställde han ut en elektrisk tryckregulator på Parisutställningen.

Hans intresse för problemet med automatiska vapen ledde till att han bosatte sig i London, där han 1884 tillverkade det första tillfredsställande helautomatiska maskingeväret, som använde pipans rekyl för att skjuta ut de förbrukade patronerna och ladda kammaren på nytt. För att förbättra effektiviteten utvecklade han sitt eget rökfria krut, cordit. Inom några år var alla arméer utrustade med Maxim-pistoler eller anpassningar.

På 1890-talet experimenterade Maxim med flygplan och tillverkade ett som drevs av en lätt ångmaskin som framgångsrikt reste sig från marken; han insåg att den verkliga lösningen på flygning var förbränningsmotorn, men försökte inte utveckla den. Hans hundratals patent i USA och Storbritannien omfattade bland annat en musfälla, ett automatiskt sprinklingsystem, en automatisk ångdriven vattenpump, vakuumpumpar, motorregulatorer och gasmotorer.

Hans Maxim Gun Company, som grundades 1884, gick senare upp i Vickers, Ltd., som han blev direktör för. År 1900 blev han naturaliserad brittisk medborgare och 1901 adlades han av drottning Victoria.