1854年麦克斯韦以优异的成绩毕业并留校，在三一学院继续从事他比较喜爱的光学色彩理论的研究。此后不久，他读到了法拉第的《电学实验研究》，立即就被法拉第新颖的实验和见解吸引住了。
19世纪50年代，电学已经进入了理论综合阶段。当时的理论界主要有两种倾向。一是韦伯在牛顿“超距作用”的传统观察基础上所做的综合，第二种就是法拉第的力线学说。学术界对这两种学说看法不一致。尤其是当时“超距学说”盛行，法拉第的力线思想也由于它的奇特性质和模糊不定的形态，很难被人们接受。还有一个重要原因是法拉第的学说还不够严谨。法拉第自幼是铁匠的儿子，数学功夫不够，他的创见都是用直观的形式表达的，一般的理论物理学家都不承认他的学说，认为它不过是一些实验记录。那么法拉第是如何表述电磁相互作用和传递的呢？法拉第于1832年写了一份文件放在英国皇家学院保存。我倾向于把磁力从磁极向外散布，比做受扰动的水面的振动，或者比做声音现象中空气的振动，也就是说，我倾向于认为，振动理论将适用于电和磁的现象，正像它适用于声音，同时又很可能适用于光那样……
事实上，法拉第用形象思维弥补了自己数学方面的不足，用富有启发性的想象提出了电磁场和电磁波动的观念。然而这种直观形象的表述如果不能用严谨的逻辑的方法论证清楚，想使人完全信服也是不太现实的。因此有人公开宣称：“谁要是在精确的超距作用和模糊不清的力线观念间有所迟疑，谁就是对牛顿的亵渎！”只有年轻的威廉·汤姆逊独具慧眼，首先研究了它。这位年轻的教授对电学很有研究，曾经多次向法拉第请教。1853年，他用实验证明莱顿瓶放电的振荡现象，推导出计算振荡频率的公式，发表了《瞬变电流》。麦克斯韦读过该论文后非常佩服，向他请教研究电学的门路，汤姆逊也给了麦克斯韦不少帮助。遗憾的是汤姆逊没有把电磁研究坚持下去，他的兴趣很快又转移到其他方面了。麦克斯韦得到他的启发后，确信了法拉第的学说包含着真理。他领悟出力线思想的宝贵价值，决心沿着法拉第开辟的道路研究下去。他也发现了法拉第定性表述的弱点，这个初出茅庐的青年人要用自己的数学才能来弥补这一点。
1855年，24岁的麦克斯韦发表了《论法拉第的力线》，这是他第一篇关于电磁学的论文。文中结合汤姆逊把静电学方程和热流方程相对比的方法考虑了力线，得到了某些很有启发性的结果。他不但注意了两种现象在数量关系上的类似性，而且也强调二者的差异性。这就是麦克斯韦最擅长使用的类比的方法。类比是在两个事物之间，根据一个事物与另一事物某些方面的相似或相同，推测它们可能存在的另一些相似或相同，从而把一类事物的知识或数学公式类推到另一类事物上。它无需对研究的事物先提出一物理假说，而是借用与它类似事物的现象和性质去想象，受到启迪，提出推测，进一步去检验确认它。使用类比的方法不仅为麦克斯韦提供了数学化的途径，而且帮助他理解现象的本质，有了许多重要的发现。1856年麦克斯韦在“使徒社”中作的《自然界中的类比》的报告，从更广阔的角度阐发了这个观点。
麦克斯韦认为：“在电学中电势对于电在流体力学中压力对于流体和在热力学中温度对于热，有着共同的关系。电、流体和热全部趋向由一个地方流到另一个地方，只要有势、压力或温度在一个地方高于另一个地方，这种情况就能发生。”在《论法拉第的力线》中，他用力线类比流体中的流线，建立了一个理想的流体模型。通过类比，凭借流体力学知识推导出静电、磁、稳恒电流场的公式。这样的工作给法拉第的力线思想提供了一个基本的数学形式。但这仅仅是“翻译”工作，还没有完全突破法拉第的认识，然而这却是十分重要的一步。因为麦克斯韦一开始就使用了数学方法，而且选定了法拉第学说的精髓——力线思想，当做自己研究的起点。这表明麦克斯韦的科学洞察力确实是不同凡响的。他认定主攻方向，就坚定不移地研究下去。这也是他比汤姆逊高明的地方。因此美国的物理学家埃弗里特说：“……麦克斯韦是建筑型的思想家。”正是这种锲而不舍的精神，使麦克斯韦一步一个脚印逐步到达光辉的顶峰。
1855年，这一年法拉第结束了自己长达30多年的电学研究，安享晚年幸福。麦克斯韦的论文发表，标明麦克斯韦已经接过了这位伟大先驱者手里的火炬，开始向电磁领域的纵深挺进。
正当麦克斯韦全力以赴准备攻克电磁研究的新课题时，忽然收到了父亲病重的消息。从小与父亲相依为命的麦克斯韦放下手中的一切工作，匆匆回到家乡，日夜侍候着年迈病重的父亲。为了照顾父亲，他辞去了剑桥大学的工作，在家乡附近的阿伯丁马锐斯凯尔学院担任自然哲学讲师，讲授物理学。然而他的这片孝心也没能挽留住老人，在1856年的初春之际，老人去世了，麦克斯韦沉浸在悲痛之中。
在阿伯丁的日子里，麦克斯韦因忙于新开的讲座，实在没有时间继续搞研究，对电磁现象的探索只得搁置下来了。但是法拉第的学说却像一团熊熊的烈火，一直在他胸中燃烧，使他不能平静。
在阿伯丁教学，麦克斯韦结识了凯瑟琳，就是上文提到过的麦克斯韦在树林里邂逅的那位姑娘。她是学院院长的女儿，比麦克斯韦大7岁。1858年，他们结了婚。凯瑟琳对他后来的研究工作帮助很大。1860年初夏，马锐斯凯尔学院由于行政上的原因，物理学讲座停办了。28岁的麦克斯韦离开了阿伯丁，来到了伦敦皇家学院任教。他的妻子也随同前往。
麦克斯韦来到首都伦敦，他的心头始终惦记着一件事情。他要亲自拜访法拉第先生。麦克斯韦怎能忘记，每当他夜不能寐的时候，他坐在桌前，借着昏暗的烛光，打开法拉第的巨著《电学实验研究》，他的情绪就十分激动。法拉第，这位他当时还没有见过的伟人，给物理学描绘了一幅多么形象的图画啊！电、磁、光、力线、波动……在它们背后隐藏着什么规律呢？他还记得当他把《论法拉第的力线》的论文寄给在伦敦的法拉第后，不久，他就收到了一封热情洋溢的回信，祝贺他取得的成绩，这给了他莫大的鼓舞。他曾想何时才能和老前辈畅谈电磁，那将是多么令人振奋的事情啊！麦克斯韦终于实现了这个梦想。
这一天终于来到了！麦克斯韦带着自己的妻子，提着一大堆礼物，轻轻地叩开了法拉第的家门。眼前的这位实验大师已年近七旬，两鬓斑白，手中拄着拐杖。
“您是尊敬的法拉第先生？”
“是的，我就是那个普普通通的迈克尔·法拉第。”法拉第一向谦逊，最怕别人恭维他，所以总要在自己的名字面前加上“普普通通”的定语。
“我是您忠实的学生麦克斯韦。”
“你就是写论文谈我的力线的麦克斯韦先生吗？”
“是的。我在您面前，在您的学识面前，不过是一个小孩子。”麦克斯韦整整比法拉第小40岁呢。法拉第也没有想到麦克斯韦是如此年轻，两个人紧紧地拥抱在一起。一位实验大师，一位数学天才，这是物理和数学的拥抱，是物理学的大幸。
法拉第说：“我等你等了好久，你终于回伦敦来了。”
“是您身上的磁场太强大了，终于又把我吸引回来。这回不但回到伦敦，还回到皇家学院，回到您的身边。”
法拉第谦虚地笑了一笑说：“可惜我老了。不过还来得及。第谷向开普勒交班时，生命只剩下一年。上帝能再给我一年也就够了。”
“老师您会长寿的。”
“祝我们的新理论长寿吧！”
两个人都高兴得哈哈大笑起来。
这真是一次难忘的会晤，两人一见如故，亲切地交谈起来。
两位伟人看上去是如此的不同，一位是古稀老人，一位年富力强，正值创造盛年。法拉第快活、和蔼；麦克斯韦严肃、机智。老师是一团温暖的火，学生像一把锋利的剑。麦克斯韦不善于言表；法拉第讲起话来侃侃而谈、妙趣横生。一个不精通数学；另一个却对数学运用自如。尽管他们有这么多的不同，但他们对物质世界的看法却产生了共鸣，深信自然界的和谐统一。他们同样重视哲学思维，富有想象力、创造性。在做学问上，同样是认真、刻苦、勤奋、锲而不舍、意志坚强。而在其他方面：性格、爱好、特长等却迥然不同，许多方面甚至是互补的。比如说科研方法，法拉第主要是实验探索；麦克斯韦擅长理论概括。一个描绘了蓝图；另一个将它建成大厦。爱因斯坦曾经把他们称做一对，说他们就像伽利略和牛顿一样，相辅相成。麦克斯韦自己也谈到过这一点：“因为人的心灵各有它不同的类型，科学的真理也就应该用种种不同的形式表现，不管它是用具体生动的物理学色彩的定性形式出现，还是用朴素无华的一种符号表示出现，它都应该被当做是同样科学的。”这段话既表达了他对自然的看法，也表现了他对法拉第的尊敬。正因为这样，他才能从法拉第的粗豪的表现形式中看到其深刻的意义。不过，不同的方法，发掘科学的深度也不尽相同。麦克斯韦用数学才能把法拉第用直观形象方式表达的真理总结出来，并且提升到理论的高度，所以他的认识就更深刻，更透入事物的本质，因此更带有普遍性。
法拉第热情地接待了麦克斯韦，并衷心感谢他所做的工作。当麦克斯韦向他求教指点迷津的时候，他说：“我不认为自己的学说一定是真理，但是你是真正理解它的人。”他沉思片刻接着说：“然而你不应该停留在用数学来解释我的观点，你应当突破它！”
应当突破它！这句话表现了一位伟大科学家的胸怀，它像一盏明灯，照亮了青年物理学家麦克斯韦前进的道路。他立即以极大的热情投入新的研究工作。
回到伦敦皇家学院，麦克斯韦明显觉出伦敦不愧是英国的首都，各方面的条件比阿伯丁不知好多少倍，尤其他为麦克斯韦提供了广阔的科学实验的大舞台。麦克斯韦如今没有一点后顾之忧，全身心地投入到科学研究中去。妻子凯瑟琳精心照料他的饮食起居，同时也帮助他做些力所能及的辅助工作。
麦克斯韦为了进一步探讨法拉第的力线，他设计了“以太模型”。在讨论该模型时，他发现了一个重要的事实，引起了他极大的注意。为了分析介质的性质，他将电的静电单位与电磁单位相除，比值为一个常数，具有速度量纲。麦克斯韦惊奇地发现：它的数值恰好等于光速！是巧合还是光也是一种电磁波？兴奋的麦克斯韦一连几宿都没有睡好觉，他的脑海里闪现的是一幅无比瑰丽的光的电磁波。他让妻子帮他核对了好几遍，确信无疑。这意味着他计算出了电磁波的传播速度同光速是相等的。几天以后，他写信给法拉第报告了这个结果，他信中说，他计算出电磁波的传播速度是“每秒310740公里”而12年前菲索用直接实验测定的光速，则为每秒314858公里！这封信寄出的时间是1861年10月19日。法拉第事后是否给他回信，已无从查考。但毫无疑问，正是这个发现，促使麦克斯韦4年以后断定光就是电磁波。
麦克斯韦的研究工作渐渐突破了法拉第的观点，他在研究中发现，以前法拉第及许多人在讨论电流产生磁场的时候，指的总是传导电流，也就是在导体中自由电子运动所形成的电流。麦克斯韦感到这个旧概念存在着很大的矛盾。例如，把两块中间夹着介质的金属板（即电容器）接在交变电源上，介质内并不存在自由电荷，也就是说没有传导电流，可是磁场却同样存在。这是为什么呢？法拉第没有解释过。麦克斯韦经过反复思考和分析，最后毅然判断出，这里的磁场是由另一种类型的电流形成的，这种电流在任何电场变化着的电介质中都存在，它和传导电流一起，形成闭合的总电流。麦克斯韦通过严密的数学推导，求出了表示这种电流的方程式，并把这种电流称做“位移电流”。
他的这一思想1862年被他写进了《论物理学的力线》一文中。这篇论文是麦克斯韦关于电磁学的第二篇论文，发表在当时英国《哲学杂志》四卷23期上，文章一登出，立即引起了物理学上的广泛注意。从理论上引出位移电流的概念，实在是电磁学继法拉第电磁感应以后的一项重大突破。麦克斯韦再一次发挥自己的数学才能，由这一科学的假设出发，推导出两个高度抽象的微分方程式（方程式直到1865年才最后完善），这就是著名的麦克斯韦方程式。这组方程式，从两个方面发展了法拉第的成就。一是位移电流，它表明不但变化着的磁场产生电场，而且变化着的电场也产生磁场；二是方程式不但完满地解释了电磁感应现象，而且还在理论上进行了总结。即凡是有磁场变化的地方，它的周围不管是导体或者电介质，都有感应电场存在。电磁现象的规律，经过麦克斯韦创造性的总结，终于被他用不可动摇的数学形式揭示出来。电磁学到这时才开始成为一种科学的理论。
在自然科学史上，只有当一种科学达到了高峰，才可能用数学表示成定律的形式。这些定律不但能够解释已知的物理现象，而且还可以揭示出某些还没有发现的东西。正像牛顿的万有引力定律预见了海王星一样，麦克斯韦在《论物理学的力线》中，预见了电磁波的存在。电磁波虽然看不见、摸不着，但它的确充满整个空间。麦克斯韦指出，既然交变的电场会产生交变的磁场，交变的磁场又会产生交变的电场，那么，这种交变的电磁场就会用波的形式向空间散布开去。这一年麦克斯韦只有31岁，年轻的科学家对世界电磁理论的发展作出了巨大的贡献。
麦克斯韦的科学研究并未因为取得了一定的成就而戛然止步。相反，麦克斯韦乘胜前进，继续向电磁学领域的深度进军。1865年，麦克斯韦殚精竭虑、孜孜不倦地研究电磁理论，又发表了他的第三篇电磁学的论文《电磁场动力学》。在这篇重要文献中，麦克斯韦方程式更加完善了。他采用法国数学家、力学家拉格朗日和爱尔兰数学家、物理学家哈密顿创立的数学方法，由那组方程式直接推导出了电场和磁场的波动方程，电磁波的传播速度根据那个波动方程的系数计算，正好等于光速！这同他4年以前通过实验推算的那个比值是完全一样的。到了这个时候，电磁波的存在是确定无疑的了！因此麦克斯韦向全世界宣布：光也是一种电磁波。法拉第当年关于光的电磁理论的朦胧猜想，就这样由麦克斯韦变成了科学的理论。法拉第和麦克斯韦的名字，从此联系在一起，就像伽利略和牛顿的名字一样，在物理学上永放光彩。
我们看到，麦克斯韦经过艰苦的探索，终于一步步地推导出了电磁学的重要的理论。他所采用的仍是类比的方法。由此我们可以看到他运用类比是如此纯熟、高超。他不是简单地比较相同之处，更重要的是从同中求异，由差异看到其特殊本质，然后再提出新的类比模型。为此建立了电磁的动力学模型，他深入比较了力线与流线的不同，力线越密处电紧张态越大，斥向压力也越大，而流线越密的地方压力越小流速越快；再从电力线与磁力线的比较看，电解质的运动说明电力是平移运动的，而磁致旋光现象说明磁的运动是一种旋转运动。经过全面的分析比较，他又提出了分子涡旋模型。分子涡旋的概念，把磁场的“涡旋”归之于“以太”。这一系列的类比，基本上都是用一种假想的弹性媒质来说明电磁力的作用。在本质上，这还是一种机械论的观念。但是在实验结果的促使下，他所得出的定量关系却超出了机械论的范围。起初，不论是对麦克斯韦本人还是对和他同时代的人们来说，这种超越还远远不是自觉的，甚至还是令人困惑或痛苦的。只有过了相当的时间，不自觉才慢慢变成了自觉。因此，有人说，对麦克斯韦来说，机械的模型就好像建筑高楼大厦时的脚手架，当楼房建好之后，脚手架就一点一点地被拆掉了。
1865年，麦克斯韦辞去了皇家学院的教学，回到了久别的家乡格伦莱尔，呼吸着家乡清新的空气，麦克斯韦感到自由和舒畅。回过头来仔细想想，十多年来，自己每天忙于科学研究，沉重的科研负担使他无暇顾及庄园的一切，也没有闲情逸致尽享田园乐趣，这次归来他可要安安静静住上一段日子，也省得和那些怀疑电磁理论的学者们唇枪舌剑地争辩。然而，作为一名科学家，科学的使命感使他不能这么做，再说他也舍弃不下自己的事业。他又开始工作了。他要理清思路，认真总结目前电磁学的研究成果。经过几年的艰苦创作，他终于撰写了《电磁学通论》的专著，1873年正式出版。这是一部电磁理论的经典著作，麦克斯韦系统地总结了19世纪中叶前后，库仑、安培、奥斯特、法拉第和他本人对电磁现象的研究成果，建立了完整的电磁理论。这部巨著的诞生完全可以和牛顿的《数学原理》相媲美。牛顿筑起一座经典力学的大厦，麦克斯韦则盖起一座经典电磁学的高楼。《电磁学通论》的出版成了当时物理学界的一件大事。这时麦克斯韦已经被剑桥大学请回任教，他的朋友和学生对这部书期待很久了。人们争先恐后地到书店里去购买，第一版几天就卖完了。
