Contre l'avis de ses parents, la jeune Lois développe ses talents pour la comédie à travers un programme radiophonique canadien destiné aux enfants. Elle n'a pas quinze ans lorsqu'elle décide de quitter son pays natal pour l'Angleterre et la Royal Academy of Dramatic Art. Là-bas, elle rencontre un certain Roger Moore, lequel devient son ami. Lois Maxwell obtient en 1946 un premier rôle de figuration, non crédité, dans Une question de vie ou de mort du mythique tandem britannique Michael Powell / Emeric Pressburger. L'année suivante, son rôle aux côtés de Ronald Reagan et Shirley Temple dans That Hagen Girl, lui permet de remporter le Golden Globe de la Révélation féminine de l'année. Sa carrière cinématographique est lancée.
Lois Maxwell tourne ensuite dans une poignée de productions hollywoodienne avant de tenter sa chance en Italie, notamment dans une adaptation de Aida par Clemente Fracassi, et dans laquelle elle partage l'affiche avec Sophia Loren (1953). Mais c'est surtout à l'amorce de la décennie suivante que la carrière de l'actrice prend son envol. En 1962, elle tourne successivement sous la direction de Stanley Kubrick (Lolita) puis dans James Bond contre Dr. No. Elle y joue Moneypenny, la séduisante assistante de M, sous le charme de l'agent 007. Lois Maxwell incarnera le personnage à 14 reprises, de 1962 à 1985 (Dangereusement vôtre). Elle aura ainsi connu trois James Bond différents : Sean Connery, George Lazenby, et Roger Moore.
Lois Maxwell prend sa retraite en 1989. On note pourtant une ultime apparitions dans Vengeance secrète de John Irvin en 2001.