Найголовніше наукове досягнення Максвелла – це створена ним теорія електромагнетизму. Прагнучи надати геніальним ідеям Фарадея та інших дослідників про електромагнітні поля чіткої математичної форми, Максвелл ще в 1855 р. поставив перед собою завдання перевести їх на мову диференціальних та інтегральних рівнянь. В основу своєї теорії Максвелл поклав ідею Фарадея про поле та нове поняття, введене ним – струми зміщення. Рівняння Максвелла і сьогодні є наріжним каменем фізики, які описують усі спостережувані електромагнітні явища.
Ці рівняння узагальнили два основні принципи, на яких базувалася фізика: 1) будь-яке змінне з часом електричне поле завжди породжує вихрове магнітне поле; 2) будь-яке змінне з часом магнітне поле завжди породжує вихрове електричне поле.
Система чотирьох рівнянь Максвелла описує властивості електромагнітних полів за допомогою двох фізичних величин: індукції електричного поля та індукції магнітного поля. Максвелл теоретично передбачив існування електромагнітних хвиль, розрахував швидкість їх поширення у вакуумі, яка збігається зі швидкістю поширення світла. Тому Максвелл стверджував, що світло має електромагнітну природу.