1855年至1856年间，麦克斯韦发表了第一篇电磁学方面的论文——《论法拉第的力线》。这篇论文不仅以抽象的数学形式表示了法拉第直观的力线图像并推进了法拉第的实验研究，而且包含了一系列重要思想，为以后的研究开拓了一条新路。
1861年，在对磁场变化产生感应电动势的现象作了深入分析之后，麦克斯韦敏锐地感觉到，即使不存在导体回路，变化的磁场通过媒质也会在其周围激发出一种“场”，他把它当作感应或涡旋电场。这是麦克斯韦为统一电磁理论所作的第一个重大假设。1862年，麦克斯韦发表了重要论文《论物理的力线》，其中引进了“位移电流”的概念。
1864年至1865年，麦克斯韦发表了著名论文《电磁场的动力理论》。在这篇论文里，他得出了真空中的电磁场方程即麦克斯韦方程。这个方程在电磁学中的地位，相当于牛顿力学定律在经典力学中的地位。其形式之简洁、优美，一直为科学界所称道。
1868年，麦克斯韦发表了又一篇重要论文《关于光的电磁理论》，明确地把光概括到电磁理论中。这就是著名的光的电磁波学说。到此为止，麦克斯韦就把电学、磁学、光学这三个原来相互独立的重要物理学研究领域结合起来，完成了19世纪中叶物理学的一个重大综合。
1871年，麦克斯韦任剑桥物理系主任，成为剑桥大学第一个实验物理学教授，筹建并领导该校卡文迪物理实验室。这个名为实验室而实为物理研究所的学术单位，后来发展成为科学史上最重要的、最著名的学术中心之一。
1873年，麦克斯韦完成了经典著作《论电和磁》，这部书被尊为牛顿《原理》一书以后最重要的一部物理学经典。麦克斯韦的电磁学，是人类知识宝库中一份博大精深的科学遗产。除了电磁学，麦克斯韦对热的分子动力论所作的贡献也是突出的。1871年，麦克斯韦出版了《热的理论》一书。这本书表述了压强、体积、熵、温度等热力学变量的偏导数之间的一些关系式，即“麦克斯韦关系式”。这些关系式在热力学中的地位，相当于麦克斯韦方程组在经典动力学中的地位。
1879年，麦克斯韦开始把注意力转向气体理论方面。他利用数学统计的方法，导出了分子运动麦克斯韦速度分布律。这一成果可以看作经典统计物理学的起点。除此之外，麦克斯韦还进一步发展了哈密顿关于矢量分析和符号微分算子运用合理性的理论，还在马觉理论和色度学、土星光环的研究、几何光学、伺服机构(节速器)光测弹性学、结构力学等不同的领域作出了重要贡献。