Положил начало изучению флоры Дальнего Востока и Японии русскими ботаниками.
Основные работы — по систематике цветковых растений.
Среднее образование получил в петербургской Аннинской школе (нем. Annenschule), высшее — в Дерптском университете (1845—1850) у А. А. Бунге.
По окончании учёбы был определён помощником директора Дерптского ботанического сада, а в 1852 году перешёл в Петербург консерватором в Императорский ботанический сад.
В 1853 году Максимович вместе с Леопольдом фон Шренком предпринял по поручению Сада путешествие вокруг света на фрегате «Диана» под командованием адмирала Евфимия Путятина. Первый год был употреблён в Атлантическом и Тихом океане с остановками в Рио-де-Жанейро, Вальпараисо и Гонолулу; в 1854 году путешественник вошёл в бухту Де-Кастри и по случаю Восточной войны остался на материке, в Приамурье, до 1857 года. С большими затруднениями и с малыми средствами исследовал он растительность этого тогда ещё почти вовсе неизвестного края и собрал богатую коллекцию, которую он обработал по возвращении в Петербург, и издал своё важное сочинение, «Primitiae florae amurensis» (лат.) (Memoires de l’Academie Imperiale de St.-Petersbourg, 1859), вполне ознакомившее учёный мир со своеобразной растительностью обширного Приамурского и Уссурийского края (ввёл в ботаническую науку 915 новых видов цветковых и споровых растений). За эту работу Максимович был удостоен Демидовской премии.
В 1859 году Максимович был избран адъюнктом Санкт-Петербургской Академии наук.
В 1859 году Максимович предпринял новое путешествие через Сибирь в Иркутск, в Забайкалье, по Сунгари и Уссури в Николаевск и далее в Японию, в Хакодате (остров Хоккайдо). В 1861 году он отправился в Нагасаки, чтобы совершать поездки по южной Японии.
Бесценным помощником Максимовичу стал японец Сугава Тёносукэ (?????, 1842—1925; варианты написания его имени латиницей — Tschonoski Sukawa и Ch?nosuke Sugawa). Он работал там, куда вследствие ограничений, наложенных японскими властями, не мог попасть сам Максимович, и собрал богатые материалы. Его имя Максимович дал новым видам (видовые эпитеты в названиях видов на русском языке обычно пишут как Чоноски) — Клён Чоноски (Acer tschonoskii) Maxim., Жимолость Чоноски (Lonicera tschonoskii) Maxim., Граб Чоноски (Carpinus tschonoskii) Maxim., Леукотоэ Чоноски (Leucothoe tschonoskii) Maxim., Рододендрон Чоноски (Rhododendron tschonoskii) Maxim., Груша Чоноски (Pyrus tschonoskii) Maxim., Триллиум Чоноски (Trillium tschonoskii) Maxim.
В Японии Максимович пробыл до начала 1864 года, а в феврале 1864 года вернулся в Россию. Результатом экспедиции стало доказательство теории единства природной среды Японии и всего Дальнего Востока в работе «Diagnoses des nouvelles plantes du Japon et de la Mandjourie» (лат.) (20 выпусков, 1866—1876).
В 1869 году Максимович был назначен главным ботаником Императорского ботанического сада и занялся разработкой не только того богатого материала, который он сам собрал, но и тех коллекций, что доставляли ему наши путешественники Пржевальский, Потанин, Н. В. Певцов и др., издал на основе их изучения 8 выпусков «Diagnosis plantarum novarum asiaticum» (лат.) (1876—1893). С 1870 года был директором Ботанического музея.
В 1871 году Максимович был избран экстраординарным, а затем и ординарным академиком.
По поручению Академии наук он выкупил у вдовы Зибольда коллекцию из восьми томов ботанических иллюстраций, выполненных японскими художниками.
Скоро сделался он первым в Европе знатоком японской флоры и вообще флор умеренной части Дальнего Востока. Он готовил полную флору этих стран, многие части которой им уже были обработаны и изданы, когда его работу прервала внезапно смерть.
Человек высокообразованный, Максимович владел, кроме русского, французского и немецкого языков, на которых прекрасно выражался и писал, ещё и английским языком.
Кроме вышеназванного сочинения, наука ему обязана множеством в высшей степени основательных работ, из которых здесь укажем: