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。
皇家学会的大科学家们顿时对这个不起眼的新秀另眼相看，大家还纷纷劝牛顿再制作一个更大的望远镜，来参加不久就将召开的科技展览会。
果然，牛顿回去不久，就又造了一架体积更大的，外形更美观，功效更高的望远镜，并参加了1671年在伦敦举办的科技展览会，受到了同行们的高度评价。就连国王查理二世也对牛顿的反射式望远镜产生了浓厚的兴趣，他当着众多科学家的面邀请牛顿加入皇家学会。
但是说起来容易，做起来难。皇家学会是一个不受政府管制的科学团体，因此，国王的邀请只能算是一种介绍，并不一定成功，要想成为皇家学会的会员，必须要有一位德高望重的科学家或是社会名流的推荐，然后，经主席团讨论后，再由全体会员投票通过才当选。
要想得到委员们的信任和认可，必须要本人把自己的成就告诉他们，而此时的牛顿仍然不喜欢表达自己，甚至不敢和那些反对者去理论。此时，巴罗又帮了他大忙。
巴罗首先在他做祭司的皇家教堂说服了索尔兹伯里主教，成为牛顿的推荐人。索尔兹伯里主教是英国教会最德高望重的人，他在社会上享有很高的声望，也是著名的社会学家。之后，巴罗又和牛顿找到了当时天文学界的著名科学家、牛津大学的瓦尔德教授，作为牛顿入选皇家学会的学术推荐人。
然后，牛顿经过精心的准备，在皇家学会的全委会上做了关于反射式天文望远镜的学术报告，并取得了圆满的成功。
这样，牛顿就被提名为英国皇家学会的候补委员。
1672年1月6日，在巴罗的鼓励下，牛顿给皇家学会的秘书长奥登伯写了封信：
“我对索尔兹伯里主教和瓦尔德教授提议我为候选人感到十分荣幸，我希望这份荣幸将因我被选入皇家学会而继续伴随我。如果事如所愿，我保证将尽我的最大努力，为促进你们的哲学计划的实现，竭力证明我的谢意。”
1672年1月11日，牛顿顺利当选为皇家学会会员。这使他同英国科学的领导机构有了密切的联系，而他本人也加入了英国最有名望的学者行列。
牛顿这个时候不过30岁，这不能不引来不少羡慕的目光。
牛顿成为皇家学会的会员后，不能再像以前那样一个人独来独往了，他必须经常与其他的学者作学术上的交流。开始牛顿还不习惯这种生活方式，时间久了，也就习以为常了。
1672年2月6日，牛顿来到伦敦参加例会，作为对皇家学会的回报，牛顿将他精心准备的“关于光和色的新理论”的论文递交皇家学会，并于2月19日刊登在皇家学会的会刊《哲学汇刊》上，这是牛顿正式公开发表的第一篇论文。
这篇论文当然迎来了热烈的掌声，但却没有获得一致赞同。
最大的反对者是在皇家学会很有威望的罗伯特·胡克和他的追随者克恩斯琴·惠更斯，他们直截了当地反对。
牛顿为避免陷入无休止的混乱之中，因此他退出与反对者的争论。于是，他开始了对化学的探索与实验。
其实，我们在评价牛顿的时候，除了称他为伟大的数学家、物理学家、天文学家外，不应该忘记，他同时还是一位化学的先驱人物和向导。
17世纪80年代，牛顿提出了万有引力定律，相应地，他也提出了明确的化学设想。围绕着光的本质的讨论持续了数年之久，加上长期的学术研究，牛顿已感身心疲惫，他打心里不愿意再做任何关于学术方面的研究了。
于是，牛顿从此一头扎进了位于剑桥大学的炼金房，专心地搞起化学研究来。
牛顿在物理和数学上自然的奇异探索不能完全满足他的要求，他将要通过炼金术道路来引入更高的水平了。
牛顿把位于三一学院大门旁的花园一角的旧房子改成实验室，买了一批化学药品做起了一个地道的炼金术士。
牛顿花费了令人不可思议、不可理解的时间和精力去研究炼金术和化学。除了去讲课，以及不得不回去睡觉的时候，其余的所有时间牛顿都不离开实验室，一日三餐都由仆人送到实验室来，有时为了节省时间，他一天只吃一顿饭。
据后来研究牛顿的学者统计，牛顿一生中用在化学方面的时间加起来超过10年。
在这个炼金室里，牛顿做了大量的化学实验，甚至还提出了一系列的化学符号和有关表示符号。他还写了很多的化学手稿和论文。
然而，不幸的事情发生了。1692年1月的一天，牛顿在去教堂礼拜的时候，他的实验室着火了，等待他的只是一片焦土烂瓦，一切都完了。牛顿流着泪，发疯似地在里边找他的光学手稿和化学手稿以及部分论文。但结果是可想而知的。
痛心疾首的牛顿再也没有写过化学手稿和有关论文。
我们不难相信，牛顿凭他的惊人精力和卓越才华，完全可能因为一部《化学》而跻身于科学史上著名的化学家的行列，然而，这一遗憾却留到了今天，牛顿也只能是一个“炼金术士”！
1679年11月的一天，醉心于炼金术的牛顿突然收到一封胡克的来信。
由于此前牛顿和胡克一直通过书信探讨光的本性问题。后来随着胡克激烈措辞的日益增多，和平的讨论转化成了带有火药味的攻击，所以，牛顿此时很不愿意打开这封信，他不想让它破坏自己长久以来的宁静生活。
但是，恰恰出乎他的意料，胡克的这封信态度十分友好，言语也相当温和，他在信中写道：
好久没有听到你的消息，不知道你最近在忙些什么？是不是有什么新的发现呢？
前不久，法国人莫桑第斯提出了关于行星运动的一些新看法，你可能已经听说了，我想知道你是怎样评价他的新思想的。
我这些日子一直在思考着天体运动的规律问题，直觉告诉我：支撑行星运动的力与行星和太阳间的距离成反比。
但我至今尚不能用理论或实验来证明它是真理。
对于以上的许多难题，你的看法如何呢？我期待着你的回信。
胡克
牛顿从胡克的信中感到了和解之意，所以他即刻回复了信件，对胡克信中的一些困惑作出了解答。同时，胡克的这封信也引发了牛顿早期关于引力的思索，他开始重新考虑14年前自己在引力研究中悬而未决的问题。
早些时候，牛顿在力学研究中获得过一个显著的成果，即关于质量的概念。这一次，经过反复的思索和计算，加上把质量的概念运用到引力之中，他终于发现了引力存在的真正原因：正是物体本身存在着质量，它们之间才会相互吸引。引力由于物体质量的存在而无处不在。
至此，牛顿把他在太阳系中的这一伟大发现推广到了宇宙万物之中，并给它命名为万有引力。
由于质量概念的介入，牛顿的万有引力定律也应运而生：如果两个物体的质量分别为m1和m2，它们之间的距离为r，那么，它们之间的万有引力的大小F=Gm1m2/r（其中G为引力常数）。
在牛顿发现万有引力定律后不久的一个午后，好友哈雷风风火火地来找牛顿，说是有急事要和他商量。原来，半年以前，在伦敦闹市的一家咖啡馆里，胡克、哈雷和雷恩3个当时英国一流的科学家们，为了讨论天体运动中的一些难题，争得不可开交，最后，他们为此下了赌注：如果谁能在两个月内拿出上述难题的解答方案，他将会得到雷恩价值40先令的书。
雷恩是一位知名学者，虽然出资不多，但毕竟是一份荣耀，3个学者回家后都纷纷忙碌起来。
可谁也没有料到，两个月内3个人中没有一个提出合理的答案。半年过去了，仍不见任何眉目。这时哈雷想到了好友牛顿，为此，他专程来到剑桥。
的确，解决这个棘手的、让人头痛的问题，对牛顿来说，简直易如反掌。他不但详细、具体地解答了哈雷的所有疑问，还同意立即把万有引力定律重新计算的手稿交给哈雷。
一向守诺的牛顿，撇下手头的工作，着手查找、整理先前的研究成果。
不久，牛顿便将一篇思路清晰、富于逻辑的万有引力计算手稿寄给了哈雷。在手稿中牛顿指出，万有引力是自然界中普遍存在的力。
收到手稿后不久，哈雷再度光顾剑桥，拜访牛顿。这次他登门拜访的目的是建议牛顿出一本关于万有引力的专著。此时在这方面已有成熟思路的牛顿却因为过分谦虚和审慎一开始就回绝了他。有备而来的哈雷早知牛顿过分谨慎的作风，便不厌其烦地鼓励他，用尽全力劝说他，最后牛顿终于被说服了，他接受了哈雷的建议。