Он был вторым сыном Евгения Богарне (сына Жозефины и пасынка Наполеона Бонапарта) и Августы фон Виттельсбах, принцессы Баварской, дочери короля Баварии Максимилиана I. После смерти в 1835 году его старшего брата Августа, к нему перешел титул герцога Лейхтенбергского.
Окончив учебу, Максимилиан поступил лейтенантом на баварскую службу и вскоре был назначен командиром 6-го кавалерийского полка, как ранее его отец и брат.
В 1837 году, по поручению своего дяди баварского короля Людвига I, он посетил Россию чтобы участвовать в кавалерийских маневрах.
В России он был тепло принят императорской семьей и познакомился с дочерью императора Николая І Великой княжной Марией Николаевной. В октябре 1838 он стал ее женихом, а 2 июля 1839 состоялась их свадьба. В этом браке родилось семеро детей:
После свадьбы Максимилиан получил от императора титул Императорского Высочества, чин генерал-майора русской службы и стал шефом гусарского полка, впоследствии командовал 2-ой гвардейской кавалерийской дивизией, стал главноуправляющим корпуса горных инженеров. С Германией его связывал ещё герцогский титул и соединённые с ним владения в Западной Европе, но в 1845 году он уступил за 20 миллионов правительству папы свои владения в Церковной Области, купил имение в Тамбовской губернии и таким образом окончательно обосновался в России.
После смерти герцога Максимилиана Лейхтенбергского император Николай I повелел приступить к продаже его имений в Баварии и указом 6 декабря 1852 года присвоил его детям (а, следовательно, своим внукам) наименование князей Романовских и титул Императорских высочеств, с тем, чтобы этот титул сохранялся в мужском поколении до праправнуков императора Николая I включительно. В соответствии с «Учреждением об Императорской фамилии» 2 июля 1886 года, ограничившем титул Императорских высочеств лишь внуками императоров, дети великой княгини Марии Николаевны и герцога Максимилиана носили титул Императорских высочеств, нисходящее же от мужского их поколения потомство стало титуловаться князьями и княжнами императорской крови. Титул «Императорское высочество» был сохранён за князем Александром Георгиевичем Романовским, герцогом Лейхтенбергским, родившимся до издания нового закона.
Максимилиан обладал обширными познаниями в области естественных наук. Герцог интересовался изучением электричества, в частности гальванопластики, минералогией и вообще горным делом. Развивая идеи о гравировании с гальвано-пластических досок, ставил опыты. Для удобства гальванопластических исследований и опытов герцог устроил для себя отдельную небольшую лабораторию в Зимнем Дворце, а затем, с расширением работ, перенес ее в помещение Главного Штаба Гвардии. Работы герцога Лейхтенбергского составили значительный вклад в гальванопластику.
В 1845 г. в Петербурге на базе мастерских Лейхтенбергского открылось первое промышленное гальванопластическое предприятие, оборудованное при участии самого изобретателя. Называлось предприятие «Санкт-Петербургским гальванопластическим и художественной бронзы заведением». Специализировалось предприятие в области т. н. художественной гальванопластики — изготовлении барельефов и статуй. Здесь делалось художественное убранство и для Исаакиевского собора. Здесь же была исполнена бронзовая дверь для здания Главного штаба на углу Невского проспекта.
Максимилиан с детства хорошо рисовал и писал красками, к тому же он владел известнейшей в художественном мире картинной галереей в Мюнхене. Герцог привез в Россию крупную коллекцию произведений искусства, которая в 1880-х гг. в течение нескольких лет размещалась в Академии художеств. 26 сентября 1842 года герцог Лейхтенбергский стал почетным членом Академии Художеств и с 1843 года до своей кончины был ее президентом. Он позаботился о составлении устава Академии Художеств, старался ввести больший порядок, заботился о русских художниках, сам решал главнейшие дела, приобретал картины. Николай I повелел выстроить для супругов Мариинский дворец в столице и загородный под Ораниенбаумом, куда по приглашению хозяев начали наведываться молодые талантливые художники. В 1851 году герцог организовал в залах Академии первую в истории России выставку произведений из частных собраний. В бытность герцога Лейхтенбергского президентом было открыто Мозаичное отделение при Академии художеств, Московская художественная школа.
Теоретические познания герцога в минералогии получили практическое применение, когда в 1844 году император Николай І назначил его главноуправляющим институтом корпуса горных инженеров. 31 декабря 1848 года был утвержден новый устав для института. Он выстроил близ Петербурга завод, производивший бронзовые отливки; на этом заводе были изготовлены первые в России паровозы, много лет служившие для Царскосельской железной дороги.
Во время управления институтом герцог посетил уральские заводы, осмотрел их и представил государю отчет, в котором подробно и основательно высказывал свое мнение о ведении дела на заводах и описывал их. В Екатеринбурге был освящён храм-колокольня с алтарём во имя Великомученика Максимилиана в память о посещении города в 1845 году герцогом Максимиллианом Лейхтенбергским — зятем императора Николая Первого и внуком Наполеона, «главнозаведующим» Петербургского Горного института, членом Ученого Комитета Корпуса горных инженеров. Во время этой поездки герцог Лейхтенбергский простудился и уже не поправился.