Nel frattempo nel 1890 era stato ammesso presso la Royal Society, ottenendo poi una serie di riconoscimenti, come la Royal Medal nel 1900. I suoi contributi più noti nel campo della matematica furono nello studio delle funzioni simmetriche e nell'enumerazione delle partizioni piane. Il suo trattato, in due volumi, Combinatory analysis, pubblicato tra il 1915 e il 1916, è considerato il primo libro nella combinatoria enumerativa.
Il suo risultato più importante è indubbiamente il Teorema Maestro di MacMahon, scoperto e dimostrato nella sua già citata opera matematica.
Nella sua monografia, MacMahon trovò così tante applicazioni del suo risultato, che lo chiamò "un teorema maestro nella teoria delle permutazioni". Spiegò il titolo come segue:
un Teorema Maestro dal modo magistrale e rapido con cui si occupa di varie questioni altrimenti difficili da risolvere.