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，由于鼠疫的流行，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1669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。