Uma das contribuições mais importantes de Maxwell foi o desenvolvimento de uma teoria cinética dos gases baseada na estatística. Aperfeiçoou o trabalho de 1859 do físico alemão Rudolf Clausius (1822-1888) que já havia considerado um gás como um conjunto de moléculas que colidiam entre si e que se moviam com velocidades dependentes da temperatura. Como era comum na época, Clausius considerou (por simplicidade) que todas as moléculas do gás se moviam com a mesma velocidade. Maxwell inovou ao mostrar que, devido às colisões entre as moléculas, elas deveriam ter velocidades diferentes.

      Como o número de moléculas em um gás é enorme, Maxwell lançou mão da estatística para calcular a distribuição de velocidades das partículas. Esses resultados foram publicados em 1860 no artigo Ilustrações da teoria dinâmica dos gases. Os métodos estatísticos já eram usados para analisar resultados experimentais, tanto em física como também nas ciências sociais. Mas a idéia de Maxwell de descrever processos físicos pelo uso de funções estatísticas foi uma grande novidade na época. Com este novo enfoque, obteve valores médios das velocidades das moléculas do gás e, a partir disso, calculou propriedades do gás, como temperatura, pressão, coeficiente de viscosidade, etc.

      Posteriormente, o físico austríaco Ludwig Boltzmann modificou o trabalho de Maxwell e, em 1868, publicou uma distribuição de velocidades para explicar a condução de calor em gases, conhecida atualmente como distribuição Maxwell–Boltzmann.

      Uma de suas principais contribuições para a Física Experimental foi feita em 1865, com sua esposa, Katherine. Juntos fizeram experimentos para estudar a viscosidade de gases a diferentes pressões e temperaturas. Os resultados foram publicados no artigo Sobre a teoria dinâmica dos gases. Mostraram que, ao contrário do senso comum, a viscosidade de um gás é independente de sua densidade. Neste artigo Maxwell também refinou e corrigiu vários erros de seu artigo de 1867, apontados por Clausius.

      Em 1870 publicou o livro A teoria do calor no qual expõe suas idéias sobre termodinâmica em sua forma madura. Maxwell pesquisou sobre teoria cinética dos gases até o fim de sua carreira, publicando importantes artigos sobre o assunto. Seus trabalhos sobre termodinâmica exerceram grande influência e abriram caminho para muitas pesquisas sobre o assunto no século XX.