英国物理学家麦克斯韦主要从事电磁理论、分子物理、统计物理、光学、力学、弹性力学等研究，特别是他所创立的电磁场理论，统一了电、磁、光学，是19世纪物理学发展中最辉煌的成就，也是科学史上最伟大的综合之一。
他预言了电磁波的存在，这一理论预言后来被实验充分验证，为物理学树立了一座丰碑，造福人类的无线电技术就是在电磁场理论的基础上发展起来的。麦克斯韦在1855年左右开始研究电磁学，在研究了法拉第关于电磁学的新理论和新思想后，他坚信法拉第的新理论蕴含着真理，于是他要为法拉第的理论“提供数学方法基础”，决心把法拉第的天才思想用清晰、准确的数学形式表达出来。
麦克斯韦
他在前人成果的基础上，对整个电磁现象进行了系统而全面的研究。他凭借深厚的数学造诣和丰富的想象力，先后发表了三篇有关电磁场理论的论文：《论法拉第力线》（1855年12月至1856年2月）；《论物理力线》（1861年至1862年）；《电磁场的动力学理论》（1864年12月8日）。他对前人和自己的工作作了全面的总结，把电磁场理论用简明、对称、完美的数学形式表达出来。经后人整理改写，成为经典电动力学的主要基础——麦克斯韦方程组。在此基础上，1865年他预言了电磁波的存在，而且只能是横波，并推导出电磁波的传播速度等于光速。 同时他得出光是电磁波的一种表现形式，揭示了光现象和电磁现象之间的联系。1888年，德国物理学家赫兹通过实验验证了电磁波的存在。
麦克斯韦于1873年发表了著名的科学著作《电磁理论》，系统、全面、完美地阐述了电磁场理论，该理论成为古典物理学的重要支柱之一。麦克斯韦在热力学和统计物理学方面也做出了重要贡献，是气体动能论的创始人之一。1859年，他首次利用统计定律导出麦克斯韦速度分布定律，从而找到了从微观量求统计平均值的更准确方法。
1866年，他根据正向和反向碰撞的分析，给出了推导分子按速度分布函数的新方法。他引入了弛豫时间的概念，发展了输运理论的一般形式，并把它应用于扩散、热传导和气体内摩擦过程。1867年，他引入了“统计力学”一词。麦克斯韦善于用数学工具分析物理问题，准确表达科学思想。他非常重视实验，他负责建立的卡文迪什实验室在他的领导和后来几任主任的带领下，发展成为世界著名的学术中心之一。
他以四个方程组而闻名，这些方程组表达了电磁学的基本定律。在麦克斯韦之前的许多年里，电磁场已经被广泛研究，并且已知它们密切相关。人们已经发现了适用于特定情况的各种电磁定律，但在麦克斯韦之前不存在完整、统一的理论。麦克斯韦能够通过制定一个简短（但非常复杂）的四个方程组来准确描述电磁场的特性及其相互作用。通过这种方式，他将混沌现象简化为一个统一而完整的理论。一个世纪以来，麦克斯韦方程组在理论科学和应用科学中都得到了广泛的应用。
麦克斯韦方程组的最大优点就是普适性，可以适用于任何情况，以前所有的电磁定律都可以从麦克斯韦方程组推导出来，而且许多以前无法求解的未知数也可以在方程组推导的过程中发现。
这些新结果中最重要的一个是由麦克斯韦自己得出的。他的方程证明了电磁场存在周期性振荡。这些振荡被称为电磁波，一旦发射，它们就会在空间中向外传播。从他的方程中，麦克斯韦可以将电磁波的速度表示为接近每秒公里（英里）的速度，他意识到这与测量的光速相同。由此他正确地得出结论，光本身是由电磁波组成的。
因此，麦克斯韦方程组不仅是电磁学的基本定律英国物理学家麦克斯韦，也是光学的基本定律。事实上，所有以前已知的光学定律都可以从方程中推导出来，许多以前未被发现的事实和关系也可以从中推导出来。在此基础上，麦克斯韦认为光是一种频率在一定范围内的电磁波。这是人类对光的本质认识的又一大进步。正是在这个意义上，麦克斯韦被认为统一了光学和电磁学，这是19世纪科学史上最伟大的综合之一。
可见光并不是唯一一种电磁辐射。麦克斯韦方程表明，可能存在与可见光波长和频率不同的其他电磁波。这些理论结论后来被海因利兹·赫兹证实。赫兹不仅制造了麦克斯韦预测的不可见光波，而且还对其进行了测试。几年后，加列尔莫·马可尼证明，这些不可见光波可用于无线电通信，从而导致了无线电的出现。今天，我们也使用不可见光进行电视通信。X 射线、伽马射线、红外线和紫外线是电磁辐射的其他例子。所有这些射线都可以使用麦克斯韦方程进行研究。
麦克斯韦的主要贡献是建立了麦克斯韦方程组，创立了经典电动力学，预言了电磁波的存在，提出了光的电磁理论。麦克斯韦是电磁理论的集大成者，他出生于电磁理论的奠基人法拉第提出电磁感应定理的1831年，后来他与法拉第成为挚友，共同建立了电磁理论的科学体系。在物理学史上，人们认为牛顿的经典力学打开了机械时代的大门，而麦克斯韦的电磁理论则奠定了电气时代的基础。
天文学和热力学
尽管麦克斯韦主要因其在电磁学和光学方面的贡献而闻名，但他也为许多其他学科做出了重要贡献，包括天文学和热力学。他的一个特殊兴趣是气体运动学。麦克斯韦意识到并非所有气体分子都以相同的速度移动。有些移动缓慢，有些移动迅速，有些移动速度极高。麦克斯韦推导出一个公式，用于计算给定气体中以特定速度移动的分子百分比。这个公式称为“麦克斯韦分布”，是最广泛使用的科学公式之一，在物理学的许多分支中发挥着重要作用。
机制
麦克斯韦对力学的贡献有：1853年推广了用偏振光测量应力的方法；1864年在结构力学中提出桁架内力的图解法，指出桁架形状与内力图是一对互易图，并提出用单位载荷法求解静不定桁架的位移。1868年提出粘弹性材料模型（后称麦克斯韦模型），引入松弛时间的概念。同年在《论调节器》中分析了蒸汽机自动调速器和钟表机构的运动稳定性。1870年，把G.R.艾里提出的弹性力学中的应力函数从二维推广到三维，并指出它应满足双调和方程。1873年，给出了带电系统中重力和斥力引起的应力场。
卡文迪什实验室
麦克斯韦的另一项重要工作，是筹建剑桥大学第一个物理实验室，即著名的卡文迪什实验室。该实验室对整个实验物理学的发展有着极其重要的影响，许多著名的科学家都曾在该实验室工作过。卡文迪什实验室甚至被誉为“诺贝尔物理学奖获得者的摇篮”。作为实验室的首任主任，麦克斯韦在1871年的就职演说中对实验室未来的教学方针和研究精神进行了精彩的阐述，这是一次在科学史上具有重大意义的演讲。麦克斯韦的主要领域是理论物理，但他清楚地知道实验占主导地位的时代尚未过去。他批判了当时英国传统的“粉笔”物理学，呼吁加强实验物理的研究及其在大学教育中的作用，为后世树立实验科学精神。
星环的理论分析
早在1787年，拉普拉斯就对土星环作为固体进行了计算研究。当时他判定，作为一个均匀的刚性环，土星环只要满足两个条件就不会解体：第一，它以一个与离心力和土星引力相平衡的速度旋转；第二，环的密度与土星密度的比值超过临界值0.8，使环内外层之间的引力超过离心力与不同半径处引力之差。他做出这样的推论，是因为均匀环的运动是动力学不稳定的，任何破坏平衡的微小位移都会导致环的运动被打乱，导致环向土星坠落。拉普拉斯推测土星环是一个质量分布不规则的固体环。
到了1855年，理论还在，而在这期间，人们观测到土星出现了新的暗环，进一步的分离现象，环系统整体尺寸在被发现后的两百年里也在缓慢地变化。于是，有科学家提出了一个假说来解释土星环的动态稳定性。这个假说认为土星环是由固体流体和大量相互不致密的物质构成的。麦克斯韦基于这个假说进行了讨论。他首先从拉普拉斯留下的固体环理论入手，确定了任意形状的环的稳定条件。麦克斯韦根据土星中心环引起的势能列出了运动方程，得到了匀速运动势能的一阶导数的两个限制，然后由泰勒展开式得到了稳定运动二阶导数的三个条件。麦克斯韦将这些结果转化为质量分布的傅里叶级数前三个系数的条件。由此，他证明了几乎每一个可以想象到的环都是不稳定的，除非有一个奇怪的特例。 这种特殊情况指的是均匀环，其某一点的质量在残余质量的 4.43 倍到 4.67 倍之间。然而，这种特殊的固体环会在非均匀重力下解体，因此固体环的理论假设不成立。
光学
早在1849年，麦克斯韦就在爱丁堡的福布斯实验室开始进行颜色混合实验。当时，爱丁堡研究颜色的学者很多，除了福布斯、威尔逊和布鲁斯特，还有一些对眼睛感兴趣的医生和科学家。实验主要是观察快速旋转的圆盘上几个有色扇形产生的颜色。麦克斯韦和福布斯做的第一个实验是将红、黄、蓝三色混合产生灰色。他们的实验失败了，主要原因是蓝色和黄色混合后并没有像平常一样产生绿色，而是产生了一种浅红色英国物理学家麦克斯韦，而这两种颜色都不占主导地位。这种组合加上红色，根本无法产生任何灰色。