回到家乡后不久，他便开始关注天体的运动规律。也正是在这个时期，他发现了万有引力。
在牛顿生活的那个年代，人们已经普遍接受了哥白尼的日心学说。在牛顿出现前100年，哥白尼就出版了著名的《天体运动论》，以此为开端，近代自然科学的先躯们开始研究天体运动的规律。
德国天文学家开普勒在天体运动领域作出了不朽的贡献。他也是牛顿万有引力的直接奠基者。
开普勒根据丹麦天文学家第谷的观测资料，对火星的运动进行了数年的观测、研究，并最终发现了行星围绕太阳运动的三大规律：
l、轨道是椭圆的。
2、若把行星和太阳连成一条线，那么，这条线在相同的时间内扫过的面积是相等的。
3、行星绕太阳转一周时间的平方，正等于它们与太阳平均距离的立方。
开普勒的这一伟大发现，推动了天文学向前迈进一大步。这一惊人的发现，使开普勒被称为“天空立法者”。
然而，开普勒无法解释致使行星遵守这三大定律的力量是什么，这个问题也成为困扰当时天文学界的一大难题。
因此，自然科学界的学者们开始了各种各样的假说。
其中较有影响的假说有两种。
一种是笛卡尔提出的以太旋涡说。他认为：
各种行星间弥散着一种被叫做“以太”的物质，它充斥着宇宙的各个部分。当上帝赋予了物质基本力学规律以后，这些“以太”就产生了一种强大的旋涡运动。这种巨大的运动，产生了太阳、恒星、地球以及其他行星……而每一个星体都会处于属于自己的旋涡之中，巨大的旋涡运动就会产生一种巨大的力，而这种力就会让所有的星体做相同的椭圆运动。
另一种假说是由博雷利提出的。这位意大利的天文学家认为：
推动行星运动的力是从太阳发出的，各个行星在这个力的作用下围绕太阳运动。
但是，博雷利无法证实自己的推测是否正确。
牛顿在剑桥大学的时候，就对这些说法非常感兴趣，但没有进行仔细思考。回到家乡后，他终于静下来，详细地分析研究了这两种说法。
在用笛卡尔的“以太旋涡”学说解释开普勒的三大定律时，牛顿发现了严重的错误和缺陷。而且，牛顿还发现这种学说无法应用到彗星的自由运动，因此，他先否定了笛卡尔的“以太旋涡”学说。
而对于博雷利的假说，牛顿却没有找出明显的错误。相反，他感觉到这种说法具有极高的科学价值，但牛顿一时间还无法说清这种直觉。
天体究竟是怎么运动的呢？
成为年轻的大学教授牛顿在乡下度过了一年半的光阴。1667年初，一度席卷全国的鼠疫逐渐被控制住了，牛顿也得到了剑桥大学开学的消息。原来就在牛顿毕业返乡的阶段，巴罗教授通知他，由于他的优异成绩和出色表现，三一学院决定录用他为学院的“学侣”，学侣是相当于现在研究生的一种工作。待遇是可以免费在学院居住，还能领取少量的月薪，这对牛顿来说，无疑是天大的喜讯。
告别了家人，牛顿带着18个月来的科学硕果日夜兼程返回剑桥大学。
回来后，他并没有对自己隐居时的重大发现作任何的宣布，甚至连巴罗教授对此也全然不知。或许他认为将一个还不成熟的思想公布是一种轻率的行为吧！
但是，牛顿踏踏实实的治学精神和他那掩饰不住的才华还是赢得了校方的赞赏。回到学校还不到半年，牛顿就被选为三一学院管理委员会的初级院委。1668年，牛顿获得高级研究生奖学金，不久就获得硕士学位，同时成为高级院委。
学院给予牛顿这么高的殊荣，除了使他获得生活保障外，也使他有更多的时间和良好的环境从事科学研究。
从此，牛顿开始了在剑桥大学的长达30年的科学生涯，也逐步成为一位划时代的科学巨匠。
作为巴罗教授的助手，牛顿协助巴罗修改他的《光学与几何讲义》，这使牛顿的学识得到了很好的发挥。1674年，《光学和几何讲义》发表的时候，巴罗在前言中写道：“我们著名的知识渊博的同事伊萨克·牛顿博士把本书的初稿通读了一遍，作了必要的修改和补充，他个人的思想使本书在许多地方出色不少。”
牛顿的科学成就受到了巴罗教授的高度评价。与此同时，科学界发生的一件事情令牛顿的关于微积分的研究广为人知。
1668年9月，牛顿读到一本新出的书叫作《对数术》，作者是丹麦数学家尼古拉斯·麦卡托，在此书中，麦卡托详细阐述了自己对对数的研究，这对牛顿是个打击。
因为早在1665年，牛顿就已经花费大量的精力研究对数，而且他的成果比麦卡托的更为细致，更为简洁。之后，牛顿又对微积分理论进行了不断的改进和完善，只是他没有公布于世罢了。
在强烈的自尊心的驱使下，牛顿用拉丁文写了他关于微积分的第一篇论文——《无穷多项方程的分析》。在论文中，牛顿详尽地阐释了他的数学成果。
该论文通过巴罗教授的推荐，以手抄本的形式在英伦三岛及欧洲大陆的著名数学家中流传开来，很快，牛顿的学术思想也随之传遍整个欧洲，人们开始称呼牛顿为科学家。
牛顿在数学、光学和力学方面的重大创见也使巴罗深深地意识到自己已经落伍了。然而，巴罗并没有对牛顿产生一丝一毫的妒忌心理，恰恰相反，他坦然宣布牛顿已经超过了自己。同时，巴罗教授又作出了一个重大的决定，退出卢卡斯讲座并推荐牛顿继任。
1669年10月19日，牛顿继任剑桥大学卢卡斯数学讲座教授。这年牛顿才27岁。
从此，牛顿年纪轻轻就登上了大学阶梯的最高一级——教授。他甚至还得到了国王的特许，可以让非神职人员留在三一学院当研究员。因为英国法律规定，大学教授必须接受神职。
在牛顿最初担任卢卡斯讲座的时候，曾有许多学生慕名来听他的讲课。但是，即使是剑桥大学的这些精英们，也无法跟上牛顿这位巨人的思路，他们常常是有如置身云雾，茫然不知牛顿所云。更让人受不了的是，在十分注重仪表的剑桥大学，牛顿的老毛病却一点也没改，他仍不注重日常生活的小节。往往是披着一件皱皱巴巴的宽大的白色麻布，拖着一双破旧的鞋，头发也不梳理，就去上课。
于是，上课听讲座的人一天天在减少，有时竟一个学生也没有，这令牛顿十分的尴尬。没办法，牛顿不得不收起讲义，回到住所，埋头搞他的研究。
不管课上得如何，牛顿的生活总算上了个台阶，每年可以有100镑的收入，生活上一点问题也没有了。而且他每年只有一学期课，每个星期也只有一堂课，所以并不会耽误他的实验。
发现太阳光谱牛顿最初成名主要是靠光学上的成就，他在自然科学上的发明与发现，最早成熟的是关于光学的思想和研究。他走上剑桥大学卢卡斯讲座的讲台，给他的学生们所开的第一门课程也是光学。
牛顿对光的研究在上大学的时候就已经开始了。
有一天，牛顿去校园外面的一个公园散步，无意中，他发现许多小孩都在玩三棱镜。这引起了他强烈的好奇心，于是，他也随手买了两个三棱镜。
他将三棱镜在阳光下转动，原本没有颜色的三棱镜中，却呈现出斑斓的色彩。
牛顿惊讶不已，心想：
“怎么会发生这种奇妙的现象呢？”
为了弄明白这其中的缘故，牛顿立刻返回学校。他来到图书馆，翻阅了当时的光学资料。资料上对此的解释是：
这种现象是由于日光和三棱镜相互作用的结果，白光本身只是一种单纯的光物质。
但是，这个解释并没有让牛顿信服。他的心里仍存在着疑问：
“阳光为什么是白色的呢？透过三棱镜的阳光为什么不再是白色的？”
于是，带着疑问，牛顿开始着手光的试验。但是，由于黑死病的流行，他不得不暂时终止研究，回到家乡。
家乡宁静的生活给了他充分的时间去揭示脑海中的谜团。
1666年1月，在一个阳光充足的午后，牛顿做了这样一个光学试验：
他先取了一块自己磨制的三棱镜，同时，把房间中能透光的地方遮住，使屋子里一片黑暗。
一切准备好之后，他在百叶窗上开了一个硬币大的小孔，让一小束光线射了进来。他又把事先准备好的三棱镜放在射进来的光线入口处，光线因而折射到对面的墙上。
这时，令人激动的事情发生了。
对面的墙壁上清晰地出现了一条像彩虹一样的光带。
“彩虹！天啊，真是奇迹！”
牛顿情不自禁地尖叫起来。
“红、橙、黄、绿、青、紫。”
当他细数时，发现美丽的彩虹由这六种颜色组成。刹那间，一种不祥的感觉掠过心头，牛顿的脸一下子变得惨白。
“这不可能！这不是真的！怎么会是6种，不会的！”
他不停地喃喃自语，眼睛瞪得老大。
原来，在当时，在很多迷信的人们和笃信宗教的人士看来，“6”是一个不详的数字，它就像咒语，像恶魔！
在宗教统治的年代和地域里，牛顿不能无视偏见的存在。因而，当他发现彩虹由6种颜色构成时，他显得那样慌张和无措。
“不，不能是6种。不能！”
他反反复复地嘟嚷着这句话，在屋子里来来回回地走着。
忽然，他停下来。
“对，就是7种。无论如何‘7’可是象征吉祥的数字。”
就这样，最终牛顿提出自己的光学理论时，指出：
阳光由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫7种颜色混合而成。
可是，事实上，正如我们感觉到的那样，彩虹里的蓝光和紫光，如果不借助科学仪器，人们的肉眼是难以分辨出来的。
牛顿把人们用来玩的三棱镜变成了一件了不起的科学仪器，并借助它发现了太阳光谱。
他的发现为在他死后100年后发展起来的新兴学科——光谱学奠定了基础。
新的发现并没有阻止牛顿探索的脚步，他琢磨着：
“既然日光能被分解成七色光，那么，七色光就定能被合成白色的阳光。”
为了证实这个想法，他又做了一个著名的实验：
让一束白光通过一个三棱镜，然后用一个透镜接收棱镜分解的日光，再在透镜后面适当的位置放置一块纸板，截住从透镜中出来的光线。
结果，难以料想的奇迹发生了。
纸板上出现了一个小光点，就像一个小孔里射进来的日光一样。
牛顿的结论得到了完美的验证。
牛顿的这种用实验证明自己理论的方法在17世纪还极少有学者采用，当时的学者大多依靠推测来完成理论发现。
在牛顿之前的伽利略，崇尚用实验来验证物理现象，因此，伽利略和牛顿一道被称作代表近代科学方法精神的伟大科学家。
牛顿在伽利略的基础上，将这种科学方法加以完善和系统化，形成了牛顿特有的思维体系，即：归纳——演绎法。他的这一思想对科学的发展影响相当巨大。
牛顿回到剑桥大学的第一项名垂青史的发明是反射式望远镜。
在牛顿以前，进行天文观测的仪器是折射式望远镜，它最初是由荷兰的一名叫利帕希的眼镜匠发明的。
到了1609年，伽利略对这种望远镜作了改进，改成了折射式，从而运用于天文研究。
伽利略的折射式望远镜是按照光的折射原理制成的，就是由两片透镜和一根长筒组成，靠近物体的透镜叫做物镜，而靠近观测者的叫作目镜。利帕希的望远镜只能放大3倍，而伽利略望远镜可以放大到30倍。
后来，开普勒又对伽利略的望远镜进行了改进，制成了开普勒望远镜，虽然仍是折射式的，但它克服了伽利略望远镜可视范围小、不方便观测的缺点，同时，放大的倍数也显著提高了。因此，以后天文学观测多采用开普勒望远镜。
随着观测精度的不断提高，折射式望远镜暴露了它致命的弱点——望远镜的色差。色差的主要表现是：利用折射式望远镜观测到的物像，它的周围会出现色彩斑斓的光环，使物像变得很模糊。
为了搞清楚物体模糊的原因，当时的天文学家做了大量的试验，对望远镜的各个环节进行尝试性的改造，最终他们找到了一个较为有效的方法——拉大物镜和目镜的距离。据说，当时最长的一架望远镜竟长达46米，由近30米的支架支撑。这种方法使色差清除了许多，成像也清楚多了，但也带来了诸多的不便。
显然，这种无限拉大望远镜长度的做法是不行的。
到了17世纪中叶，随着天文学事业的突飞猛进，急切地需要一种更加便捷、更加精确的仪器来代替折射式望远镜。
这个时候，牛顿早已发现了太阳光谱。牛顿利用太阳光谱，发现色差出现的原因是阳光中的7种色光的折射率不同，它们被望远镜的透镜折射后，便在其周围产生杂乱的彩色光轮。于是，牛顿开始改进望远镜。
他设计的新型望远镜，完全打破了折射式望远镜的设计常规。牛顿利用光的反射特性，让光线经过一个凹面物镜反射后聚集成像。与以往不同的是，牛顿把目镜装在了筒的外壁上。他还在管筒内加装了一个独特的装置——一个和小管筒成45度角的平面镜，它能把物镜反射过来的光线反射到筒壁外的目镜中。
这种装置，后来被人们称为“牛顿装置”而把牛顿利用光谱原理设计制造的望远镜就叫牛顿望远镜。
设计起来难，制作起来更难。它的大部分物件并不是现成的，必须进行人工特殊的加工和磨制，甚至连制作望远镜用的工具都得专门制造，这当然难不倒牛顿，他可从小就是一个有名的“小木匠”。牛顿望远镜的制作堪称是发明史上的一个别具匠心的发明典范。
经过1年多时间的艰苦工作，1668年，牛顿终于制成了光学史上第一架反射式望远镜。它的体积比原来的折射望远镜小了几倍。可它的观测倍数却是原来的40倍，而且没有了色差的影响，成像十分清晰。
牛顿利用这架长6英寸的望远镜，清楚地观测到了木星和木星的众多卫星，甚至还发现了金星的方位及其周期性圆缺变化。
进入皇家学会巴罗教授把卢卡斯教席让给牛顿后不久，巴罗便被选为皇家教堂的祭司。
有一天，国王查理二世来教堂作礼拜后与巴罗祭司谈论一些科学问题，巴罗把牛顿发明反射式望远镜的消息告诉了查理二世。
这项新发明一下子引起了查理二世的兴趣，他一离开教堂，便传令召开皇家学会特别会议。会上，他向全体会员公布了这项发明。查理本人是当时皇家学会的重要会员，由他公布的事情自然引起了皇家学会的重视。
皇家学会的前身只是几个科学家自发组成的小团体。后来，查理二世国王出于对科学的关心，也参加了这个学会。从此，这个学会就被称为“不列颠皇家科学会”。
到牛顿发明反射式望远镜的时候，皇家学会已经成为当时世界上最具科学权威的学会了。凡是被推举为该会会员的人，一定会被公认为是世界一流的科学家。
1669年7月，牛顿应邀将他的望远镜送到皇家学会。
牛顿的这项发明立即在皇家学会引起轰动，这在当时的科学界，可以说是一件重要的发明了。
但是由于牛顿天生过于谦虚的个性，他从未向人提起过此事，所以此前没有人看见，甚至很少有人听说过牛顿研制出反射式望远镜的事。