Paxton ist bekannt als Erbauer des Crystal Palace ('Kristallpalast'), dem Ausstellungsgebäude der Weltausstellung 1851 in London (Great Exhibition). Für diese Leistung wurde er später zum Sir ernannt. Er war vielseitig begabt und betätigte sich als Gärtner, Dahlienzüchter, Schriftsteller, Investor, Teilhaber an Eisenbahnunternehmen und als Architekt. Seine Gärtnerlehre führte ihn an die Gärten der Horticultural Society of Chiswick. 1824 war er Vorarbeiter des Arboretums von Chiswick. William Cavendish, der sechste Herzog von Devonshire, förderte ihn und machte ihn 1826 mit nur 23 Jahren zum Obergärtner von Chatsworth. Zwischen dem Herzog und Paxton entwickelte sich ein freundschaftliches Verhältnis; 1832 ernannte der Herzog ihn zum Verwalter seiner Länderei.

Ab 1828 baute Paxton zunächst kleinere Gewächshäuser. Um 1831/32 entwickelte er für die Glaseindeckung das Prinzip von Grat und Rinne, dem Ridge-and-furrow-System, das zu historischer Bedeutung gelangte. Das sogenannte "rigde and furrow" Dach, das auch den Namen Ackerfurchen- oder Paxtondach trägt, ist eine Entwicklung aus Paxtons Erfahrung mit dem Gewächshausbau. Es handelt sich um eine Faltdachvariante, bei der die Glasplatten auf Eisenbalken ruhen, in denen sich Regenrinnen befinden, die zu den gusseisernen Säulen führen, die als Abflussrohre dienen.

Die Neuanlage von Chatsworth gipfelte 1844 in dem Entwurf eines großen Sees mit einer nahezu 100 Meter hohen Fontäne, den Emperor Fountain, mit 85 m einer der höchsten Brunnen Europas.

Für die Umgestaltung des Parks von Chatsworth ließ Paxton schon lange mit Expeditionen seltene Samen und Pflanzen aus Asien und Amerika herbeischaffen. Er war der erste, dem es in einem Wettstreit 1849 gelang, die schwimmende Riesenseerose zum Blühen zu bringen. Diese Königin der Wasserpflanzen existierte im Sommer 1849 erst in 6 aus importierten Samen im königlich- botanischen Garten von Kew erzogenen Exemplaren. Drei Sämlinge wurden anfangs August verschenkt an die 3 grossen Gärten von Chatsworth, Syonhouse und Regents Park, und diese wetteiferten nun mit Kew um die Ehre, die erste Blüte der "Victoria regia" (zu Ehren der Monarchie benannt) in Europa zu erzielen. In diesem Wettstreit siegte Chatsworth - eben Paxton.

Die schwimmenden Blätter der Victoria amazonica erreichen bis zu zwei Metern im Durchmesser. Durch ein Netz von strahlenförmigen und konzentrischen Rippen ist das Schwimmblatt so stabil, dass es auch bei großem Gewicht weder verbiegt noch untergeht. Dieses System regte Paxton zu einer neuartigen Gewächshauskonstruktion für seine Victoria regia an (nach dem Vorbild der Verstärkungsleisten auf der Unterseite der Seerosen-Blätter) Das Form- und Konstruktionsvorbild stammt also aus der Natur; eine gestalterische Analogiebildung, die heute als "Bionik" bezeichnet wird.
1850 meldete er seine Konstruktion zum Patent an (das er dann 1858 bekam).

Die Gartenplanungen brachten es mit sich, dass Paxton bald auch Entwürfe von Wintergärten und Orangerien konzipierte. Durch seine Verbindungen zur englischen Eisenbahnindustrie kam er zum Projekt der Weltaustellung 1851 und baute dort den Kristallpalast (Crystal Palace) im Hyde Park in London auf. Über 200 Architekten hatten ihre Entwürfe für den Bau zur Weltausstellung eingereicht, und keiner hatte vor der Königlichen Kommission Gnade gefunden. Paxtons Entwurf wurde verwirklicht. 563 Meter lang und 124 Meter breit war das Ausstellungsgebäude, vier Mal so groß wie der Petersdom – in zehn Tagen entworfen, in 17 Wochen gebaut. Queen Victoria eröffnete die Weltausstelung. „Die erste Shopping Mall der Welt“ hat der Historiker A.N.Wilson den Palast genannt. Zusammen mit Thomas Cook, Erfinder der Pauschalreise, hatte Paxton schon Ausflüge nach Chatsworth organisiert. Jetzt erfand er den „One-Shilling-Day“, der der Weltausstellung erst zum ganz großen Erfolg verhalf, weil sich nun auch die Massen das Vergnügen leisten konnte. Die Weltausstellung hatte sich nicht nur selbst getragen, sie hatte Gewinn gemacht. Damit wurde ein riesiges Areal in Kensington südlich vom Hyde Park gekauft, - dort entstanden die Institutionen, die die Mission der Weltausstellung, die Bildung des Volkes in Sachen Kultur, Technik und Wissenschaft fortführen sollten: die Royal Albert Hall, das Imperial College of Science and Technology, das Natural History Museum – und das gigantische Victoria and Albert Museum, ein eher plumpes Gebäude, in dem noch heute eine eigene Abteilung dem Crystal Palace gewidmet ist. Joseph Paxton hätte seinen Glaspalast am liebsten als immerwährenden Wintergarten stehen gelassen. Aber es war versprochen, der Palast wurde abgetragen – und im Park von Sydenham (Upper Norwood), südlich von London, wieder aufgebaut: noch größer, noch besser, ein privat betriebener Palast der Bildung und des Vergnügens, wieder von Queen Victoria eröffnet. (1936 durch ein Feuer teilweise und nach einem deutschen Bombenangriff 1941 vollständig zerstört.)

Ohne Architekt zu sein, wurde Paxton so zum berühmtesten Baumeister im ganzen Land, zum Liebling der Königin und schließlich, ab 1854 als Parlamentsabgeordneter im Parlament von Coventry, zum Politiker. Sein Kristallpalast wird als erstes Beispiel für die Verwendung industriell hergestellter Fertigteile epochemachend. In den fünfziger Jahren plante Paxton mehrere Landhäuser und Herrschaftssitze, vor allem für die Rothschilds in Frankreich. Joseph Paxton wurde für seine Verdienste 1851 zum Ritter geschlagen und war ab 1854 bis zu seinem Tod Parlamentsmitglied im Parlament von Coventry. Er veröffentliche etliche Bücher, war Herausgeber von Zeitschriften und schrieb z. B. das dreibändige Werk zur Systematik der vor allem für die damalige Zeit als exotisch geltenden Pflanzen."Paxton's Botanical Magazin", "Practical Treatrise on the Cultivation of Dahlia", 1838 und "Paxton`s Flower Garden", 1850.