Hans arbeid var grunnlag for mange av det tjuende århundrets fysikere. Han innførte statististiske metoder i termofysikk, og grunnla den kinetiske gassteorien, Maxwell-Boltzmanns fordelingslov. Her kartla han gasser i bevegelse, og påviste hvordan kinetisk energi fordeler seg i molekylene i en gass ved en bestemt temperatur. Maxwell er dessuten kjent for å være den første som framkalte et fargefotografi.