在完成关于土星光环本性的著作过程中，他获得了一些关于气体黏滞性的资料。于是，他提出了在干扰光环稳定性中存在摩擦效应。1859年春天，在研究气体的黏滞性和粒子碰撞时，他对鲁道夫·克劳修斯论气体的论文（把气体看成是粒子的运动）发生兴趣。为了解释气体分子漫散射，克劳修斯计算了在一定距离内运动但又没有发生碰撞的一个分子的概率。事实上，早在1850年，他就对概率论发生了兴趣。通过引进气体分子中速度分布的统计公式，他深化了克劳修斯的理论，这个函数在形式上与误差理论中的分布公式完全一样。在此基础上，他算出了分子运动的平均自由程，这样他又得到一个没有料到的结果——气体黏滞性独立于它们的密度。
于是他又转向研究不同温度和压力下气体的黏滞性，方法是观察在一个容器中悬挂着的磁盘扭转振荡的衰减。他发现气体的黏滞系数是绝对温度的直线函数。他在其重要论文《论气体的动力学理论》中说，必须把气体分子看成是力的中心，这些中心从属于一个关于斥力的反比五次方法则。结果与实验相一致。他还提出了一个新的分布法则的推导，并证明速度的分布能保持平衡态，只要碰撞不变的话。在写这篇论文时，他发现他的理论似乎产生了这么一种结果：能量可以从冷的气体中抽释出来。这就与热力学的第二定律矛盾了（克劳修斯与汤姆逊在19世纪50年代提出，说明热有一种从温度高物体传向温度低的物体的倾向）。他修正了他的论点，解决了这个难题。很可能，对这个问题的思考使他去考虑他的气体理论应与热力学第二定律的一致性。
他第一次系统地阐述了著名的麦氏妖悖论，这是汤姆逊在1867年12月起的名字。其大意是：一个热物体如何从较冷的物体中获取能量。他指出，热力学第二定律表现出统计的规整性。
由于在处于平衡态的气体中分子的速度是按统计分布的，因而，在把热从一个冷的物体传向那个较热的物体时，分子肯定会出现自然的上下波动。这就需要麦氏的有限存在的作用了，这个有限的存在（麦氏妖）可以操纵分子，使热从冷物体流向热物体，这就违反了热力学第二定律。热力学第二定律是统计的规律，只能用于分子系统。
麦克斯韦进而扩大他的论点，强调了力学定律和热力学第二定律之间的不同。热力学第二定律是有时间方向的，表达的是物理过程的不可逆性；而力学的定律则是可逆的（没有特定的时间方向）。他主张：热力学第二定律是用统计学来表达的，它不是一个动力学的定律。在19世纪70年代，他力图澄清对物理系统进行力学描述和进行统计学描述之间的关系。
以上对麦氏理论物理学的贡献的叙述是极不完备的，但它指明：在物理学中，麦克斯韦关于物理类比的本性，力学模型的本性，这些模型之间的关系，更为一般的力学原则，动力学的法则和统计解释之间的关系等，这些问题的重要性，在于这些最基本的问题超越了麦克斯韦的场论和粒子理论之间的分裂，电磁学和气体理论之间的分裂。
麦克斯韦不用力学来解释某些问题引起了不少人的担忧。
1884年，威廉·汤姆逊在约翰·霍普金斯大学（巴尔的摩）的一次讲演中（论气体动力学和光的波动论）激烈地抨击麦克斯韦用他的方法来解释那些问题。他说，对麦克斯韦“电磁感应力学模型”（论物理力线和以太模型）的大量的赞扬，是把这个模型看成了“有重大教育意义的”、“通向有限的电磁力学理论的一步”。
他哀叹麦克斯韦从他力学模型方法的倒退，他把麦克斯韦关于光的电磁理论看成是一个倒退，是不承认“力学模型是电磁学的动力学的基础”。在对比了麦克斯韦的理论之后，他认为这个理论还是不充分地建立在力学原则之上，采用了绝对有限的力学观念把弗瑞奈（Fresnel）和他的追随者们推到了我们面前，正是他们提出了发光的以太的弹性固体理论。他这样陈述了力学解释的准则：只要我做不出我不理解的力学模型那就是因为我不能理解光的电磁理论。
回顾一下20年后关于力学表达的现状，皮埃尔·达汉姆嘲笑了汤姆逊关于“力学模型是物理学可理解性的唯一基础”的话。甚至在电磁场理论中，麦克斯韦的力学世界观也是强有力的，在他的论文中他精心构建了不同意义的力学概念。在《论物理学的力线》(1861~1862)中，麦克斯韦表达了其明晰的力学观。但在他的涡旋小室的以太模型和空转轮模型的不同表达中，他的理论又是有柔性非刚性的。在他后来的著作中，特别是在《电磁论》中，他采取了一种力学表达的抽象方法，其基础是一个相互联系的动力学系统的拉格朗日理论，放弃了对电磁场内部特性进行描述的努力，但他仍然谈到要形成“一个完整的关于场的动力学理论”，要认真研究这个理论中“全部中间的机制和运动的细节”。
麦克斯韦还探讨了对某些机械论的基本修改，在此过程中，机械论的解释受到许多限制，比如在奇点上一个力学的系统是不稳定的，它的轨迹是无法预言的。这种情况的引申义是：因果的动力法则支配着这个宇宙，这是情况的一面；另一面是，这些法则并不全是决定论的，它们分不同的层次，要考虑到它们的多样性和复杂性。麦克斯韦对机械论的这种看法，如果你的视野很狭小，就无法理解。在进行理论物理的探索中，麦克斯韦既是坚定的，比如对前人的成果（经实验验证了的成果）坚信不移，但另一方面，他又充满怀疑（因为与事实不符）和进行大胆地探索，因此他比别人更高一筹。
本书的目的是为了描述麦克斯韦物理世界观的结构，认为这种结构的基础是场和统计物理学，借助追溯其要点和特色，来认识他的哲学世界观。在麦克斯韦的时代，自然哲学正在成为陈腐的东西，与正在出现的物理学家们的规范是不相容的。麦克斯韦物理学的范围，在传统的风格上，是要为科学的世界观打下基础，当时成立的不列颠促进科学协会，就是这样的。威廉姆·惠威尔在回答诗人柯勒律治的抱怨时说，对当代有自然知识的学者们而言，“哲学家”这个词儿太宽泛，太高贵，因而应当用“物理学家”来代替它，这就把科学（自然哲学）和哲学（道德与形而上学）区分开了，并强调了这种科学事业即物理学家们事业的群体特征。惠威尔在他的《归纳科学的哲学》(1840)中指出了这种情况，他提出用“物理学家”来描述研究物理学的群体，这些人研究的是“力，物质和物质的性质”，他为物理学划定了界限。
这种词语的变化正与科学自身的变化相对应：在19世纪，出现了新的限定性的专业化的科学学科，它们有明晰的概念和研究技术。