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。