1840. február 5-én született a Maine állambeli Sangerville-ben, egy műszerész legidősebb fiaként. Tizennégy évesen már kocsikat épített, s élete következő évtizedét különféle vasipari munkákkal töltötte, s számtalan bizonyságát adta találékonyságának. 1864-ben műszaki rajzoló lett nagybátyja gyárában, de nem hagyott fel a kísérletezéssel sem.

Huszonhat évesen rukkolt elő első találmányával, a hajsütő vassal, ezt gyors ütemben követte a mozdony-jelzőlámpa és a világítógáz gyártására szolgáló szerkezet. Talentumát látva egy világítással foglalkozó nagyvállalat csábította főmérnökének, ebbéli minőségében kidolgozta a villanykörtében használatos szén fűtőszál előállítási módszerét. (Ezen a téren még magát a nagy Edisont is megelőzte.) Pályafutásának első csúcspontját 1881-ben érte el, amikor a párizsi világkiállításon elektromos nyomásszabályozóját különdíjjal tüntették ki.

1881-ben a nagyobb lehetőségekkel kecsegtető Angliába költözött, és már nem is tért többé vissza hazájába. Számítása bevált: 1900-ban megkapta a brit állampolgárságot, egy évvel később lovaggá ütötték az első teljesen automata gépfegyver megtervezéséért.

A legenda szerint 1883-ban ajánlotta neki egy barátja: "Hagyd a csudába az elektromosságot. Ha meg akarod csinálni a szerencsédet, találj ki valami olyat, amivel ezek a bolond európaiak gyorsabban tudják kiirtani egymást." A vén kontinens viszonyait egyre jobban megismerő Maxim megfogadta a tanácsot és 1885-re előállt találmányával.

Az ötlet nem volt új: már az amerikai polgárháborúban használatos volt a több (kezdetben hat, később tíz) csövű Gatlin-gépfegyver, amelyet egy kurbliszerű fogantyúval, kézzel hajtottak. A forgó csövekre a melegedés miatt volt szükség, amíg az egyik "dolgozott", a többi hűlt. A Gatlin-löveg percenként mintegy 200 lövés leadására volt képes, a fegyver tetejére helyezett tárból a nehézségi erő adagolta a lőszert.

Maxim legnagyobb újítása az volt, hogy kihasználta a kilőtt golyó hátrasiklását: ez lökte ki az üres hüvelyt és rántotta be a földön fekvő hevederből a következő töltényt. Megoldotta a hűtést (levegővel, illetve vízzel) is, így immár egy csőből ki lehetett az összes golyót lőni. A hatékonyság további növelése érdekében Maxim saját lőport is kifejlesztett, amelyet cordite-nak nevezett el. Gépfegyvere percenként és elméletileg 500, a gyakorlatban 300 lövésre volt képes, ami 100 puska tűzerejével volt egyenlő.

Találmányának gyártására, amelyet 1889-ben megvett a brit hadsereg, gyárat alapított és szó szerint dőlt hozzá a pénz. A hadviselést forradalmasító fegyvert sorra bevezette az osztrák-magyar, a német, az olasz, a svájci és az orosz hadsereg, Maschinengewehr és pulemjot Maxima néven. A gépfegyver elborzasztó fölénye már első alkalmazásakor bebizonyosodott: 1893-94-ben a matabele háborúban 50 brit gyarmati katona négy Maximmal 5 ezer bennszülöttet győzött le. A gyár később a Vickers vállalatba olvadt, ahol Maxim az igazgatói címet kapta, az első világháború kitörésekor a Vickers gépfegyver volt a brit hadseregben rendszeresítve.