大学是一个王国。牛顿生平第一次乘坐驿马车旅行，进入大学王国之门的那一年，克伦威尔的遗体，从西敏斯特被拖了出来。于是，那位流亡在法国的查理二世返国复位。
革命风暴已经平息，社会秩序日趋安定。其实，学术界并没有受到什么影响，尤其是牛顿的世界，好像是王国中的城堡，紧闭着城门，风平浪静。当牛顿听到克伦威尔的遗体被曝尸示众这件事后，在他心目中认为这是神的旨意，所以情绪上没有受到震撼。这四年多来，他始终心如止水，全副精神贯注于学问的钻研。他在这座城堡里开辟扩展了一个数学的花园，他创造出无限级数、二项式定理、求积法等。他的这座数学花园很像传说中巴比伦的巴贝尔塔附近吊于天空中的“空中花园”。不要说是辅导员，就连巴罗教授也无法窥视其奥秘。
这时候发生了一件大事，使得这位心无旁骛、钻研学问的牛顿也不禁胆战心惊。那就是可怕的鼠疫开始在英国流行了。这种令人恐怖的传染病，由老鼠身上的跳蚤传播病菌，死者的全身变得赭黑，所以又称“黑死病”。这种病一旦传播起来，非常迅速，死者成千上万，这就是它的可怕之处。
当时，英国首都伦敦是个被称为垃圾堆的不洁都市，这种地方性的疾病，就曾在伦敦间歇地流行着。
“牛顿同学，事情不好了！”
1665年8月某一个酷热的日子，同室的威尔金士一从伦敦回来就摇着正在专心读书的牛顿的肩膀喊叫。“空中花园”的主人缓缓抬起头来，愣愣地看着惊惶的室友。
“伦敦正因鼠疫陷入大混乱！”威尔金士再度强调一遍。
“这是伦敦的事情啊。”
牛顿又把视线落在书本上。伦敦距此和格兰萨姆距此是差不多的，并不很远，但与牛顿似乎没有丝毫的关系。
“牛顿同学，据说是去年开始流行的。”
牛顿仍专注书本。
“走在伦敦街上，这座四十六万人口的大都市，街道上静悄悄地不见人影，大家都躲在家里不敢外出。上周就死了四千七百人。据说有一家十二人全部死亡，乌鸦群集墓地。”
威尔金士耳闻目睹，愈谈愈激动。牛顿终于不得不抬起头来。脑中同时想着色彩论和鼠疫两件事。
“看到剑桥居民用马车装载行李，准备疏散到乡下的慌乱情形，相信你也会吓一跳的。”
“什么？”
牛顿脑中的色彩论消失了。
“你认为这次的鼠疫事件怎么样？牛顿同学。”
“当然很麻烦！”
“传说这是神在发怒，因为天主教徒和克拉廉敦的关系，你认为怎么样？”
克拉廉敦是拥护查理二世复位的政治家，由于微妙的因缘，成为众人憎恶的角色。
“我不知道该怎么说。”
把天主教徒和克拉廉敦与鼠疫牵连在一起，使牛顿脑筋混乱。他对于欧几里得几何学等具有完整形式的论理研究得很透彻，可是遇到这种稍稍脱轨的问题就很差劲了。不，是不想深入地思考。
当时，传染病的本体还是一个谜。因为细菌和病毒体还没有被发现。所以，唯一能做的，只有逃离疫区，此外别无他法。当时有一种明知无效、但很盛行的鼠疫治疗法是将金凤花的根或番红花以白葡萄酒煎煮服用。其实，患了鼠疫等于被宣告死刑。
恐怖的黑死病风暴横扫伦敦之后，蔓延到剑桥来了。大学不得不关闭停课。
牛顿一路看着难民的马车，回到了艾尔斯索普老家。
母亲汉娜被班杰明、玛丽和汉娜三个子女拥着出来，把手伸向儿子。牛顿那种学者似的风范，使得弟妹们，与其说是亲近不如说对他有一份尊敬。黑色方帽和白袍，使个子不高的牛顿显得略为高大些。最小的妹妹小汉娜，接到了节俭的哥哥的唯一礼物——橙子，高兴地微笑了，她们被从未见过的南国水果的芳香迷住了。
对于牛顿，从事研究的工作，在大学或是在家里都是一样。返回平静老家的大学生，在自己的房间里打开了包袱，取出从事天体光学研究的工具，有锤子、烧瓶、磁铁、磁针、心轴、雕刻刀、砥石丫棱镜、凸透镜、凹透镜、平面镜、球面镜、方解石、望远镜、显微镜等，书籍有马尔契的《汤玛斯的女儿》、哥白尼的《天体运行论》、开普勒的《光学》、笛卡尔的《几何学》等，在桌上堆积如山。投下所有薪水购买的物品，实在琳琅满目。光学实验器材的齐全，可以说是当时世界少有的。
牛顿知道棱镜可以形成“虹”。等不及日光从窗口射入，他从早晨就开始“光的分解”的实验。棱镜的近棱的一端出现红色，远的一端则为紫色。那七色带子有一种百看不厌的美，但看不出端倪。
牛顿翻阅安东尼·德·多米尼的书：“棱镜近棱一端的玻璃较薄，暗度较小。所以通过这里的光呈现红色，因为暗度小的光是红的。相反的，离棱远的部分，玻璃厚而暗。所以通过这里的光呈紫色，因为暗度大的光是紫色。”
对于此说，牛顿总是没法了解，想了几天也想不出道理，于是再查阅马尔契的《汤玛斯的女儿》，见到了标明显著的另一种说法：“种种的色是折射属性不同的光的部分。棱镜形成的色带，是由于光从太阳的不同部分出发，以不同的角度进入棱镜形成的。”
马尔契的学说，开头的部分倒是不难理解，可是以后的部分怪怪的。牛顿想到了妙招，他把一个棱镜形成的色带——光谱，通过摆成逆向的另一棱镜来看，结果七色消失，回复成原来的白光。
白光分解为七色，所以把它们集合起来就再成为白光。
牛顿清楚地透视到了真理。他为什么做得到呢？是因为以实验为武器。普通的学者翻烂了多米尼或马尔契的书，想求得真理，牛顿知道那并不是正途。
组合三棱镜的实验中，通过暗度小的部分的光，接着是通过暗度大的部分，而成为白光。这就可以推翻多米尼之说了。
想断定马尔契学说正确与否，非得把光源弄小不可。
牛顿想在多米尼之后接着推翻马尔契学说，于是着手进行实验。
他试着以烛焰代替阳光，则见光谱中颜色的顺序和宽狭完全一样。把烛光遮住一半，只见亮度减弱，光谱并无变化。
接着使用望远镜做星光的光谱，虽比烛光来得暗，但颜色顺序和宽狭仍是一样。
牛顿在光的分解方面终于获得了真理。但是，这并非是他的最终目的。
牛顿所持有的望远镜是伽利略发明的型式，想要把倍数放大的时候，像上就有虹彩。他希望能把虹彩消掉，做出倍数大的望远镜，这是牛顿的最终目的。因此，非得把形成虹的原因找出来不可。
形成虹的原因是光的折射，那么做出没有折射的望远镜就行了。由这一观念，产生了反射望远镜。
小时候就喜欢劳作的牛顿，手艺比技工还精巧。他把铜片磨凹而做成凹面镜。用这个铜的凹面镜做了长15厘米、直径2.5厘米的小望远镜，倍数是四十倍。性能之佳，使长达1.3米的伽利略式望远镜望尘莫及。这是牛顿制作的第一座反射望远镜。
完成这一大发明时，牛顿在夜里带了幼小的弟妹到庭院，陪他们察看月球表面、土星的环、木星的卫星等。
“好漂亮的星星！”
“月亮好美丽哟！”
孩子们的话，使刚满二十岁的年轻科学家，得意地凝望着天空。
在光学方面，牛顿也取得了巨大成果。他利用三棱镜试验了白光分解为有颜色的光，最早发现了白光的组成。他对各色光的折射率进行了精确分析，说明了色散现象的本质。他指出，由于对不同颜色的光的折射率和反射率不同，才造成物体颜色的差别，从而揭开了颜色之谜。牛顿还提出了光的“微粒说”，认为光是由微粒形成的，并且走的是最快速的直线运动路径。他的“微粒说”与后来惠更斯的“波动说”构成了关于光的两大基本理论。此外，他还制作了牛顿色盘和反射式望远镜等多种光学仪器。
在牛顿以前，墨子、培根、达·芬奇等人都研究过光学现象。反射定律是人们很早就认识的光学定律之一。近代科学兴起的时候，伽利略靠望远镜发现了“新宇宙”，震惊了世界。荷兰数学家斯涅尔首先发现了光的折射定律。笛卡尔提出了光的微粒说……
牛顿以及跟他差不多同时代的虎克、惠更斯等人，也像伽利略、笛卡尔等前辈一样，用极大的兴趣和热情对光学进行研究。1666年，牛顿在家休假期间，得到了三棱镜，他用来进行了著名的色散试验。一束太阳光通过三棱镜后，分解成几种颜色的光谱带，牛顿再用一块带狭缝的挡板把其他颜色的光挡住，只让一种颜色的光通过第二个三棱镜，结果出来的只是同样颜色的光。这样，他就发现了白光是由各种不同颜色的光组成的，这是一大贡献。
牛顿为了验证这个发现，设法把几种不同的单色光合成白光，并且计算出不同颜色光的折射率，精确地说明了色散现象。揭开了物质的颜色之谜，原来物质的色彩是不同颜色的光在物体上有不同的反射率和折射率造成的。公元1672年，牛顿把自己的研究成果发表在《皇家学会哲学杂志》上，这是他第一次公开发表的论文。
许多人研究光学是为了改进折射望远镜。牛顿由于发现了白光的组成，认为折射望远镜透镜的色散现象是无法消除的（后来有人用具有不同折射率的玻璃组成的透镜消除了色散现象），就设计和制造了反射望远镜。
光学和力学一样，在古希腊时代就受到注意。由于天文观测的需要，光学仪器的制作很早就得到了发展，光的反射定律早在欧几里得时代已经闻名，但折射定律直到牛顿出生之前不久才为荷兰科学家W.斯涅耳所发现。玻璃的制作早已从阿拉伯辗转传入西欧，16世纪荷兰磨制透镜的手工业大兴。把透镜适当组合成一个系统就可成为显微镜或望远镜。这两种仪器的发明对科学发展起了重大作用。
光的颜色问题早在公元前就有人在猜测，把虹的光色和玻璃片的边缘形成的颜色联系起来。从亚里士多德以来到笛卡尔都认为白光是纯洁的、均匀的，是光的本质，而色光只是光的变种。他们都没像牛顿那样认真做过实验。牛顿1672年创制了反射望远镜。牛顿曾致力于颜色的现象和光的本性的研究。1666年，他用三棱镜研究日光，得出结论：白光是由不同颜色（即不同波长）的光混合而成的，不同波长的光有不同的折射率。在可见光中，红光波长最长，折射率最小；紫光波长最短，折射率最大。牛顿的这一重要发现成为光谱分析的基础，揭示了光色的秘密。牛顿还曾把一个磨得很精、曲率半径较大的凸透镜的凸面，压在一个十分光洁的平面玻璃上，在白光照射下可看到，中心的接触点是一个暗点，周围则是明暗相间的同心圆圈，后人把这一现象称为“牛顿环”。他创立了光的“微粒说”，从一个侧面反映了光的运动性质，但牛顿对光的“波动说”并不持反对意见。1704年，他出版了《光学》一书，系统阐述他在光学方面的研究成果。
从1670年到1672年，牛顿负责讲授光学。在此期间，他研究了光的折射，表明棱镜可以将白光发散为彩色光谱，而透镜和第二个棱镜可以将彩色光谱重组为白光。
他还通过分离出单色的光束，并将其照射到不同的物体上的实验，发现了色光不会改变自身的性质。牛顿还注意到，无论是反射、散射或发射，色光都会保持同样的颜色。因此，我们观察到的颜色是物体与特定有色光相合的结果，而不是物体产生颜色的结果。
从这项工作中，他得出了如下结论：任何折光式望远镜都会受到光散射成不同颜色的影响，并因此发明了反射式望远镜（现称作牛顿望远镜）来回避这个问题。他自己打磨镜片，使用牛顿环来检验镜片的光学品质，制造出了优于折光式望远镜的仪器，而这都主要归功于其大直径的镜片。1671年，他在皇家学会上展示了自己的反射式望远镜。皇家学会的兴趣鼓励了牛顿发表他关于色彩的笔记，并在后来扩大为《光学》一书。但当罗伯特·虎克批评了牛顿的某些观点后，牛顿对其很不满并退出了辩论会。两人自此以后成为了敌人，这一直持续到虎克去世。
牛顿认为光是由粒子或微粒组成的，并会因加速通过光密介质而折射，但他也不得不将它们与波联系起来，以解释光的衍射现象。而其后世的物理学家们则更加偏爱以纯粹的光波来解释衍射现象。现代的量子力学、光子以及波粒二象性的思想与牛顿对光的理解只有很小的相同点。
在1675年的著作《解释光属性的解说》中，牛顿假定了以太的存在，认为粒子间力的传递是透过以太进行的。不过牛顿在与神智学家亨利·莫尔接触后重新燃起了对炼金术的兴趣，并改用源于汉密斯神智学中粒子相吸互斥思想的神秘力量来解释，替换了先前假设以太存在的看法。拥有许多牛顿炼金术著作的经济学大师约翰·梅纳德·凯恩斯曾说：“牛顿不是理性时代的第一人，他是最后的一位炼金术士。”但牛顿对炼金术的兴趣却与他对科学的贡献息息相关，而且在那个时代炼金术与科学也还没有明确的区别。如果他没有依靠神秘学思想来解释穿过真空的超距作用，他可能也不会发展出他的引力理论。
1704年，牛顿著成《光学》，其中他详述了光的粒子理论。他认为光是由非常微小的微粒组成的，而普通物质是由较粗微粒组成，并提出这样的疑问：“如果通过某种炼金术的转化，难道物质和光不能互相转变吗？物质不可能由进入其结构中的光粒子得到主要的动力吗？”牛顿还使用玻璃球制造了原始形式的摩擦静电发电机。