牛頓曾致力於顏色的現象和光的本性的研究。1666年，他用三棱鏡研究日光，得出結論：白光是由不同顏色(即不同波長)的光混合而成的，不同波長的光有不同的折射率。在可見光中，紅光波長最長，折射率最小；紫光波長最短，折射率最大。牛頓的這壹重要發現成為光譜分析的基礎，揭示了光色的秘密。牛頓還曾把壹個磨得很精、曲率半徑較大的凸透鏡的凸面，壓在壹個十分光潔的平面玻璃上，在白光照射下可看到，中心的接觸點是壹個暗點，周圍則是明暗相間的同心圓圈。後人把這壹現象稱為“牛頓環”。他創立了光的“微粒說”，從壹個側面反映了光的運動性質，但牛頓對光的“波動說”並不持反對態度。1704年，他出版了《光學》壹書，系統闡述他在光學方面的研究成果。
熱學方面的貢獻
牛頓確定了冷卻定律，即當物體表面與周圍有溫差時，單位時間內從單位面積上散失的熱量與這壹溫差成正比。
天文學方面的貢獻
牛頓1672年創制了反射望遠鏡。他用質點間的萬有引力證明，密度呈球對稱的球體對外的引力都可以用同質量的質點放在中心的位置來代替。他還用萬有引力原理說明潮汐的各種現象，指出潮汐的大小不但同月球的位相有關，而且同太陽的方位有關。牛頓預言地球不是正球體。歲差就是由於太陽對赤道突出部分的攝動造成的。
哲學方面的貢獻
牛頓的哲學思想基本屬於自發的唯物主義，他承認時間、空間的客觀存在。如同歷史上壹切偉大人物壹樣，牛頓雖然對人類作出了巨大的貢獻，但他也不能不受時代的限制。例如，他把時間、空間看作是同運動著的物質相脫離的東西，提出了所謂絕對時間和絕對空間的概念；他對那些暫時無法解釋的自然現象歸結為上帝的安排，提出壹切行星都是在某種外來的“第壹推動力”作用下才開始運動的說法。
《自然哲學的數學原理》牛頓最重要的著作，1687年出版。該書總結了他壹生中許多重要發現和研究成果，其中包括上述關於物體運動的定律。他說，該書“所研究的主要是關於重、輕流體抵抗力及其他吸引運動的力的狀況，所以我們研究的是自然哲學的數學原理。”該書傳入中國後，中國數學家李善蘭曾譯出壹部分，但未出版，譯稿也遺失了。現有的中譯本是數學家鄭太樸翻譯的，書名為《自然哲學之數學原理》，1931年商務印書館初版，1957、1958年兩次重印。
牛頓對自然的興趣
由於牛頓在劍橋受到數學和自然科學的熏陶和培養，對探索自然現象產生極為濃厚的興趣。就在1665～1666年這兩年之內，他在自然科學領域內思潮奔騰，才華迸發，思考前人從未思考過的問題，踏進前人沒有涉及的領域，創建前所未有的驚人業績。1665年初他創立級數近似法以及把任何冪的二項式化為壹個級數的規則。同年11月，創立正流數法（微分）；次年1月，研究顏色理論；5月，開始研究反流數法（積分）。這壹年內，牛頓還開始想到研究重力問題，並想把重力理論推廣到月球的運行軌道上去。他還從開普勒定律中推導出使行星保持在它們軌道上的力必定與它們到旋轉中心的距離平方成反比。牛頓見蘋果落地而悟出地球引力的傳說，說的也是在此時發生的軼事。總之，在家鄉居住的這兩年中，牛頓以比此後任何時候更為旺盛的精力從事科學創造，並關心自然哲學問題。由此可見，牛頓壹生的重大科學思想是在他青春年華、思想敏銳短短兩年期間孕育、萌發和形成的。
1667年牛頓重返劍橋大學，10月1日被選為三壹學院的仲院侶，次年3月16日選為正院侶。當時巴羅對牛頓的才能有充分認識。1669年10月27日巴羅便讓年僅26歲的牛頓接替他擔任盧卡斯講座的教授。牛頓把他的光學講稿(1670～1672)、算術和代數講稿(1673～1683)《自然哲學的數學原理》（以下簡稱《原理》）的第壹部分(1684～1685)，還有《宇宙體系》(1687)等手稿送到劍橋大學圖書館收藏。1672年起他被接納為皇家學會會員，1703年被選為皇家學會主席直到逝世。其間牛頓和國內外科學家通信最多的有R.玻意耳、J.柯林斯、J.夫拉姆斯蒂德、D.格雷果理、E.哈雷、胡克、C.惠更斯、G.W.F.von萊布尼茲和J.沃利斯等。牛頓在寫作《原理》之後，厭倦大學教授生活，他得到在大學學生時代結識的壹位貴族後裔C.蒙塔古的幫助，於1696年謀得造幣廠監督職位，1699年升任廠長，1701年辭去劍橋大學工作。當時英國幣制混亂，牛頓運用他的冶金知識，制造新幣。因改革幣制有功，1705年受封為爵士。晚年研究宗教，著有《聖經裏兩大錯訛的歷史考證》等文。牛頓於1727年3月31日（儒略歷20日）在倫敦郊區肯辛頓寓中逝世，以國葬禮葬於倫敦威斯敏斯特教堂。
《光學》和反射式望遠鏡的發明，光學和力學壹樣，在古希臘時代就受到註意。用於天文觀測的需要，光學儀器的制作很早就得到了發展，光的反射定律早在歐幾裏得時代已經聞名，但折射定律直到牛頓出生之前不久才為荷蘭科學家W.斯涅耳所發現。玻璃的制作早已從阿拉伯輾轉傳入西歐。16世紀荷蘭磨制透鏡的手工業大興。把透鏡適當組合成壹個系統就可成為顯微鏡或望遠鏡。這兩種儀器的發明對科學發展起了重大作用。在牛頓之前，伽利略首先把他所制作的望遠鏡用在天象觀測上。枷利略式的望遠鏡是以壹片會聚透鏡為目鏡、壹片發散透鏡為物鏡的望遠鏡。還有當時盛行的由兩片會聚透鏡組成的開普勒望遠鏡。兩種望遠鏡都無法消除物鏡的色散。牛頓發明以金屬磨成的反射鏡代替會聚透鏡作為物鏡，這樣就避免了物鏡的色散。當時牛頓制成的望遠鏡長6英寸，直徑1英寸，放大率為30～40倍。經過改進，1671年他制作了第二架更大的反射式望遠鏡，並送到皇家學會評審。這臺望遠鏡被皇家學會作為珍貴科學文物收藏起來。為了制造反射式望遠鏡，牛頓親自冶煉合金和研磨鏡面。牛頓自幼愛好動手制模型，做試驗，這對他在光學實驗上的成功有極大幫助。光的顏色問題早在公元前就有人在作猜測，把虹的光色和玻璃片的邊緣形成的顏色聯系起來。從亞裏士多德以來到笛卡兒都認為白光是純潔的、均勻的，是光的本質，而色光只是光的變種。他們都沒像牛頓那樣認真做過實驗。