Окончив учебу, Максим работал на заводах в Фитчбурге, Бостоне и Нью-Йорке в должности чертежника и мастера. В период этого времени он изобретает различные устройства: машины для добывания светильного газа, питания паровых котлов водой и другие изобретения. Переехав к своему дяде, в 1864 году, конструирует усовершенствованный регулятор для газовых горелок и автоматический огнетушитель. Позже Максим переехал в Нью-Йорк, где занимался усовершенствованием динамо-машин, электродвигателей и аккумуляторов.
Пулемет «Максима» и его создатель Хайрем Стивенс Максим
В 1881 году Максим эмигрировал в Англию и занялся разработкой оружия. Он занимался изобретением подводных мин и торпед, разработал проект воздушной торпеды. Значительным трудом была его работа по усовершенствованию взрывчатых веществ. Разработка бездымного пороха тоже детище Стивенса Максима, применение которого произвело целый переворот о стрелковом и артиллерийском деле.
Вспоминая, в одном из интервью Максим сказал, что как-то встретил знакомого американца в Вене в 1882 году, и тот посоветовал ему: «Бросай свою химию и электричество. Если хочешь заработать кучу денег, придумай что-нибудь, что позволит этим европейцам ещё лучше перегрызать друг другу глотки».
В 1884 он создал первую модель своего знаменитого пулемета «Максима». По собственным словам, его идея использования энергии отдачи для перезарядки оружия родилась из-за сильной отдачи при стрельбе из ружья, испытанной в детстве.
В 1888 году Максим основал завод для производства скорострельных пушек и пулемётов. В 1896 году этот завод был куплен компанией Виккерс. В 1901 году за выдающиеся изобретения королева Виктория произвела Максима в рыцари.