Maxwellov prvi veliki prispevek znanosti je bila študija o Saturnovih obročih. Maxwellova teorija je bila, da so Saturnovi obroči sestavljeni iz številnih majhnih trdih delcev. Ta teorija je bila potrjena sto let kasneje, ko je prva Voyager vesoljska sonda dosegla Saturn.

Nato je Maxwell premišljeval o kinetični teoriji plinov. Ko je pline leta 1866 statistično obdeloval, je neodvisno od Ludwiga Boltzmanna oblikoval Maxwell – Boltzmannovo teorijo plinov. Ta teorija je pokazala, da vročina vsebuje le molekularno gibanje. Čeprav Maxwell ni začel kinetične teorije plinov, je bil prvi, ki je uporabil metode verjetnosti in statistike, da bi opisal lastnosti plinskih molekul.

Maxwell – Boltzmannova teorija je pomenila spremembo koncepta verjetnosti , vročina je izgledala kot da teče od vročega k mrzlem, ena od statistik, da imajo molekule pri visoki temperaturi le veliko možnost, da se premikajo proti tistim z nizko temperaturo. Maxwellov pristop ni zavračal zgodnejših študij termodinamike, ampak uporabljal boljše teorije osnov, da je razložil opažanja in eksperimente.

Maxwell je prispeval tudi k študijam barvne slepote in barvnega vida. Iz njegovega raziskovanja in eksperimentov barvne teorije, je prišla prva barvna fotografija, ki je nastala s fotografiranjem enega objekta skozi filtre treh primarnih barv svetlobe ( rdeča, rumena in modra ), potem pa je Maxwell sestavil podobe.

Maxwellov najpomembnejši dosežek je bil v njegovem razširjenju in matematičnem oblikovanju Michael Faradayove teorije električnih in magnetnih linij sile. Maxwell je predlagal, da se elektromagnetizem giblje skozi vesolje v valovih, ki jih lahko proizvajamo v laboratoriju. Z računanjem njihove hitrosti je ugotovil, da je hitrost elektromagnetnih valov enaka svetlobni hitrosti. Predvideval je, da je fenomen svetlobe torej elektromagnetni fenomen.

Rekel je :”Komaj se lahko izognemo zaključku, da svetloba obstaja v diagonalnem valovanju enakega obsega kot je vzrok električnega in magnetnega fenomena.”

Njegov referat O Faradayovih linijah sile je bil prebran v Cambridge Philosophical Society v dveh delih, leta 1855 in leta 1856. Maxwell je pokazal, da nekaj relativnostnih preprostih enačb ne more pokazati obnašanja električnih in magnetnih polj in njihovih medsebojnih odnosov.

V tistem času ni bilo nobenih dokazov o primerljivih valovih, ki bi jih lahko poslali ali zaznali preko kakršnekoli znatne razdalje.

Štiri delne različne enačbe, znane kot Maxwellove enačbe, so se prvič pojavile v popolnoma razviti obliki v Electricity and Magnetism ( 1873 ). Te enačbe so eden največjih matematičnih dosežkov devetnajstega stoletja.

Leta 1888 je Heinrich Hertz vodil preiskave, ki so temeljile na Maxwellovih teorijah in pokazal, da so električne motnje poslane skozi vesolje v obliki valov. Danes elektromagnetni valovi pokrivajo val spektra radiacije. Maxwell je izrazil vse osnovne zakone svetlobe, elektrike in magnetisma v nekaj matematičnih enačbah, ki so splošno znane kot ˝Maxwellove Enačbe˝. Te enačbe so dolgo veljale za osnovni zakon vesolja, tako kot Newtnovi zakoni gibanja in gravitacije.