自然科学在那个时代被视为自然哲学。牛顿受到查尔莱顿和伽桑狄的影响，因此，早在他大学时代，他就接受了原子论学派的物质观。认同和接受原子论哲学，这与他笃信实验和事实的思想密不可分。他认为，物体的属性只有通过实验才能为我们所了解，因此，凡是与实验完全符合而又既不会减少又不会消失的那些属性，人们就应当把它看成是物体的普遍属性。他就是运用这种方法去探求物质的普遍属性的。同时，他也很相信感觉和经验，经验使他认识到，大的物体经过多次破碎后，可以变成很小很小的微粒，这种微粒破碎和分割到一定层次后，就会成为小得不能再小，具有不可分割性、不可入性、紧密性、广延性，同时还具有能动性的惯性的微粒子，这就是原子论所说的“原子”，牛顿把它叫做微粒或者粒子。
乍一看起来这种思想似乎很幼稚，很不科学，然而牛顿把它运用到各种研究领域中，都取得了意想不到的成果。
在光学上，原子论的观点使他一开始就摆脱了笛卡尔的以太小球观点，也不同意胡克和惠更斯的“波动说”，而提出光的“微粒说”。牛顿认为，之所以说波动说是错误的，就是出于这种观点把光看成没有物质内容而只是靠以太来传播的一种“波”，这是根本不可能的。既然光线是一种物质现象，能够产生直射、折射和反射，就一定是一种微粒的运动。
虽然在辩论中他也接受了波动说的一些观点，但他的主要思想仍是微粒说，一直到死这种思想都没有改变，这从他的哲学上可以找到根源。
在数学上，正是由于他把线看做由无数点组成的轨迹，或者由点的连续运动而产生线，线的连续运动产生面，面的连续运动产生体，因此点是产生一切数学关系的最基本的单位，是原初的起点。所以当他把动力学的研究和数学结合起来的时候，才有可能发现他的切线法、二项式定理和微积分。他在力学和天体运行的研究上运用了微粒说的理论，取得了举世瞩目的成就。他不仅继承了古代原子论的基本观点，而且还对它进行了发展，其中最重要的贡献，就是赋予粒子以能动性的属性，他把它称之为粒子力，正是由于存在着这种粒子力，物体才能通过重力、磁力、电力的吸引互相发生作用，形成宇宙的万物及其运动，他在《光学》的疑问中举了很多事例和实验来说明这个问题。
运用粒子力的概念，他不仅在吸引方面发现规律，而且还发现吸引存在着它的反面，就是排斥。由于吸引力只能发生在一定的距离内，而且随着距离的增加而按反比平方的规律很快减小，因而这就存在着一个界限，一旦超过这个距离的界限，力就会成了排斥力。
他用微粒说和粒子力之间的相互作用构成了他整个理论体系的基础。把粒子看做原始的物质，万物的本原，这是他整个哲学的思想基础。也就是说他的整个理论体系都是建立在微粒说之上的。正如爱因斯坦和英费尔德在《物理学的进化》一书中指出的那样：“物理学实际上是从以质量、力和惯性系统的发明开始的。”的力学体系是一个以八个基本概念为基础，绝对时空观和运动观为基本观念，运动的三定律为核心，万有引力定律为最高综合，并采用数学的方式来描述物体运动的因果律，结构严谨、逻辑严密的科学体系。这个体系的科学性首先就取决于对基本概念的定义之上。牛顿认为质量概念又是最为重要的，一切物理量都是以它为前提，因此他把质量概念排在八个概念之首；而质量又完全是用微粒说的观点所定义。的哲学观，也就是对世界本原的认识上，是唯物主义的原子论或微粒说，他的整个理论体系就是在这个基础上构建的。应该说，牛顿的微粒说不是简单的原子论，而是继承和发展了古代和近代的原子论。
在科学史上和哲学史上，牛顿的绝对时空观都是一个有很大影响的观点。他的观点，曾遭到了来自各方面的批评，尤其是爱因斯坦提出的相对论，对牛顿的这一观点是一个重大冲击，很多人从此以后便认为牛顿提出绝对时空观是一个错误，或者说是完全没必要的，更多的人则认为这是牛顿形而上学思想的典型表现。然而，恰恰是从根本上否定绝对时空观的爱因斯坦能够做出公正的和实事求是的评价。爱因斯坦曾多次指出，牛顿引入绝对时间和绝对空间的概念，对于建立他的力学体系是非常必要的，并且说：“牛顿啊……你所发现的道路，在你那个时代，是一位具有最高思维能力和创造力的人所能发现的惟一道路，你所创造的概念，即使在今天仍然指导着我们的物理学思想……”的绝对时空观是什么意思呢？人们知道，研究运动，就离不开对时间和空间的认识，因为运动只有在时空里面才可以进行。牛顿为了建立他的理论体系，或者说是为了使他的运动定律、万有引力定律等原理能够成立，提出了把时间和空间划分为绝对的和相对的两种观点。
相对时间，又叫表现的或通常的时间，是“延续性的一种可感觉的、外部的（无论是精确的或者不相等的）、通过运动来进行的量度，我们通常就用诸如小时、日、月、年等这种量度来代替真正的时间”。认为，绝对空间“就其本性而言，是与外界任何事物无关而永远是相同的和不动的”，而相对空间“是绝对空间的可动部分或者量度”。的意思是说，物质运动与时间没有关系，不管物质运动的形式怎样，时间总是均匀地流逝着，因此它是绝对的。事实上，牛顿认为，这就是时间本身，是真正的时间。关于绝对时间的概念一方面也来自于天文观察，他说：“在天文学中，绝对时间是把表现时间加以等分或校正来同相对时间相区别的。因为，虽然我们通常认为自然的日子是均等的，而实际上他们是不均等的。天文学家校正这种不均等性，以便能用更准确的时间来测量天体的运动。可能没有这样一种均等运动的东西可以用来准确地测量时间。
“所有的运动可能都是加速的或减速的，但绝对时间的流逝却不会有所改变。不管运动是快是慢，或者根本不运动，一切存在的事物的延续性或持久性总是一样的。因此，应该把这种延续性与其只能感知的量度区分开来，并用天文学方程式把它从感知的量度中推导出来。为了测定一个现象的时间，这方面的必要性已在摆钟实验和木星的卫星的蚀象方面得到了证明。”
现在人们所用的时间，是通过天文观察和测量，并运用方程式把它计算出来的。虽然牛顿也怀疑是否能测得有绝对准确的时间仍是一个问题，因为天体的运动不可能都是绝对匀速的，但是可以推论有这种可以无限接近绝对准确的时间。牛顿认为，人们通常所说的时间，也就是人们能够用感觉感受得到的，用计时器来测量的时间并非真正的时间，它只是真正时间的表现，它是不准确的，因此需用真正的时间来加以等分或校正。后者就是相对时间。的绝对时间概念的另一方面，也可以说是主要方面，是来自于一种哲学思想。在科学史和哲学史上，牛顿是第一个把时间和空间区分为绝对的和相对的人，这种区分，显然超越了纯科学的范畴，带有很大的哲学意味。牛顿认为，像时间和空间这样无限的东西，由于人们的感官看不见它的所有的部分，因此是不能完全凭感觉经验来认识它的，人们所认识的只是它的一个部分，是它所表现出来的形式。
比如，各种事物的存在都有事实上的持续性，都要经历一段时间，那么，这就是表现的、相对的时间；各种事物的存在都有一定的形状、大小、体积和位置，它们之间必有相互关系，那么，这就是表现的、相对的空间。时间的本性和空间的本性就蕴含在这些表现出来的人们可以感知的相对时间和空间里。但是，由于时间和空间都是无限的，人们不可能把所有的相对的时间和空间认识彻底。因此，只凭人们的感觉经验是不能把握时间和空间的本性的，但是，牛顿是相信理性的，他认为感觉经验不能把握的东西，理性可以把握。虽然感觉经验不能认识它所有的相对时间和空间，但却可以无限地逼近，这就为我们从理性上把握时间和空间的本性提供了根据。所以，他要把时间和空间区分为绝对和相对的，他相信在相对的时空背后肯定有一个绝对的时空存在。
理解了绝对时间和相对时间，绝对空间和相对空间也就容易理解了。绝对空间，打个比方说，就好像一个大容器一样，不管里面放不放东西或者放什么东西，都与这个大容器没有关系，也就是说，空间与物质运动无关。相对空间，就是这个容器里面所放的各种东西，也就是各种运动着的物体，由于绝对空间这大容器无限大，因此看不到它的全部，人们看到的只是在它里面运动着的各种物体，这种物体就是绝对空间的表现，它就是表现出来的空间，因此叫做相对空间，所以牛顿说它是“绝对空间可动的部分或者量度”。
从上述绝对时间的理解可以知道，它是绝对准确的时间，是永远均匀流逝的时间。那么绝对空间，牛顿也把它理解为绝对静止的物质存在。牛顿说：“真正静止的物体彼此之间也都是静止的。因此在恒星所在的遥远地方，或者也许在它们之外更远的地方，可能有某种绝对静止的物体存在。
但是从我们这个地方物体的相互位置中，我们却无从知道其中是否有任何一个物体，它对于那些遥远的物体确实保持着同样的位置而不发生任何变动。由此可知，我们不能从我们区域中的物体的位置来决定绝对静止。”在这里提出，在恒星所在的某个遥远的地方，可能有某种绝对静止的物体存在，这就是绝对空间存在的证明。
长期以来这个观点一直被人们当做牛顿的机械唯物论的典型而进行批判，事实上，这并没有真正理解牛顿的思想。牛顿这一论点的提出，是有他的理论依据的，即运动定律和万有引力定律。牛顿曾提出过“两体问题”，认为两个物体或天体发生相互作用或相互吸引，它们的旋转运动是围绕着共同的重心进行的。这样，他就把引力思想从以前认为各行星的引力指向太阳，把太阳当做引力的中心，改变成了指向太阳系的重心。因为万有引力定律认为吸引是相互的，不是单向的，它和被吸引物体的质量有着密切的关系。因此行星围绕太阳旋转，不能单纯地认为只是行星受到太阳引力的作用，而且要看到太阳也受到行星引力的作用。因此，正确的观点应该是，行星围绕着太阳系的重心旋转，而不是围绕着太阳旋转；当然，由于太阳要比行星的质量大得多，因此，太阳系的重心就是太阳的重心，但这和太阳本身是不同的。牛顿的这个观点，是对哥白尼和开普勒观点的重大修正。
1684年，牛顿在《论物体在流体中的运动》一文的手稿中，曾经把这个理论当做运动的第四定律提出，表述为：按照物体之间的相互作用，共同的重心不改变其运动或静止的状态。在《论物体在均匀不变形介质中的运动》一文的手稿中，他又把两体推广到两体以上，实际上是一个物质系，他认为，根据物体的相互作用，（大量的）物体的共同重心不改变其静止或运动状态。
最后，他在《原理》当中，把运动第四定律改成推论四提出来，并做了严格的表述：两个或两个以上的物体的共同重心，不会因物体本身之间的作用而改变其运动或静止的状态；因此，所有相互作用着的物体（如无外来作用和阻碍），其共同重心将或者静止，或者在等速沿一条直线运动。
这个推论四在学术界称之为物质系的重心不变原理或重心守恒原理。用这一原理来解释在某个遥远的地方，可能有某种绝对静止的物体存在，就比较容易了。因为牛顿认为，整个天体由于相互吸引和相互作用，都处在旋转运动之中，卫星围绕着行星旋转，行星围绕着太阳旋转，太阳系可能围绕着一个质量更大的恒星旋转。依此类推，整个宇宙可能就会围绕着一个共同的重心旋转，因而，整个宇宙的各个部分都处在不停的运动当中，而其共同的重心可能就是绝对静止的，或者说是一个绝对静止的物体。牛顿在这里用了一个推测词“可能”，说明他还不能完全肯定，因为空间是无限的，而人们又不能看见它的全体，只能根据运动的理论来推测。从这一推测当中，人们也可以看到，牛顿的宇宙模型是：
整个宇宙是无限的，因为如果是有限的，按照万有引力定律，全部宇宙物质将塌缩成为一个球团，这是与观察不相符合的。宇宙的各个天体都处在不断的旋转运动之中，但由它们形成的共同重心却是静止不动的。宇宙有一个中心，这个中心就是旋转运动共同重心。