牛頓所在的英國皇家學會宣佈，一項調查表明了牛頓才是真正的發現者，而萊布尼茨被斥為騙子。但在後來，發現該調查評論萊布尼茨的結語是由牛頓本人書寫，因此該調查遭到了質疑。這導致了激烈的牛頓與萊布尼茨的微積分學論戰，並破壞了牛頓與萊布尼茨的生活，直到後者在1716年逝世。這場爭論在英國和歐洲大陸的數學家間划出了一道鴻溝，並可能阻礙了英國數學至少一個世紀的發展。
牛頓的一項被廣泛認可的成就是廣義二項式定理，它適用於任何冪。他發現了牛頓恆等式、牛頓法，分類了立方面曲線（兩變數的三次多項式），為有限差理論作出了重大貢獻，並首次使用了分式指數和坐標幾何學得到丟番圖方程式的解。

他用對數趨近了調和級數的部分和（這是歐拉求和公式的一個先驅），並首次有把握地使用冪級數和反轉（revert）冪級數。他還發現了π的一個新公式。

他在1669年被授予盧卡斯數學教授席位。在那一天以前，劍橋或牛津的所有成員都是經過任命的聖公會牧師。不過，盧卡斯教授之職的條件要求其持有者不得活躍於教堂（大概是如此可讓持有者把更多時間用於科學研究上）。牛頓認為應免除他擔任神職工作的條件，這需要查理二世的許可，後者接受了牛頓的意見。這樣避免了牛頓的宗教觀點與聖公會信仰之間的衝突。

光學
從1670年到1672年，牛頓負責講授光學。在此期間，他研究了光的折射，表明稜鏡可以將白光發散為彩色光譜，而透鏡和第二個稜鏡可以將彩色光譜重組為白光。

他還通過分離出單色的光束，並將其照射到不同的物體上的實驗，發現了色光不會改變自身的性質。牛頓還注意到，無論是反射、散射或發射，色光都會保持同樣的顏色。因此，我們觀察到的顏色是物體與特定有色光相合的結果，而不是物體產生顏色的結果。（更多的細節，參看牛頓的色彩理論。）

這項工作中，他得出瞭如下結論：任何折光式望遠鏡都會受到光散射成不同顏色的影響，並因此發明了反射式望遠鏡（現稱作牛頓望遠鏡）來迴避這個問題。他自己打磨鏡片，使用牛頓環來檢驗鏡片的光學品質，製造出了優於折光式望遠鏡的儀器，而這都主要歸功於其大直徑的鏡片。1671年，他在皇家學會上展示了自己的反射式望遠鏡。皇家學會的興趣鼓勵了牛頓發表他關於色彩的筆記，這在後來擴大為《光學》（Opticks）一書。但當羅伯特·虎克批評了牛頓的某些觀點後，牛頓對其很不滿並退出了辯論會。兩人自此以後成為了敵人，這一直持續到虎克去世。

牛頓認為光是由粒子或微粒組成的，並會因加速通過光密介質而折射，但他也不得不將它們與波聯繫起來，以解釋光的繞射現象。而其後世的物理學家們則更加偏愛以純粹的光波來解釋繞射現象。現代的量子力學、光子以及波粒二象性的思想與牛頓對光的理解只有很小的相同點。
在1675年的著作《解釋光屬性的解說》（Hypothesis Explaining the Properties of Light）中，牛頓假定了以太的存在，認為粒子間力的傳遞是透過以太進行的。

不過牛頓在與神智學家亨利·莫爾（Henry More）接觸後重新燃起了對煉金術的興趣，並改用源於漢密斯神智學（Hermeticism）中粒子相吸互斥思想的神秘力量來解釋，替換了先前假設以太存在的看法。擁有許多牛頓煉金術著作的經濟學大師約翰·梅納德·凱恩斯曾說：「牛頓不是理性時代的第一人，他是最後的一位煉金術士。」但牛頓對煉金術的興趣卻與他對科學的貢獻息息相關，而且在那個時代煉金術與科學也還沒有明確的區別。如果他沒有依靠神秘學思想來解釋穿過真空的超距作用，他可能也不會發展出他的重力理論。（參見艾薩克·牛頓的神秘學研究）

1704年，牛頓著成《光學》，其中他詳述了光的粒子理論。他認為光是由非常微小的微粒組成的，而普通物質是由較粗微粒組成，並推測如果通過某種煉金術的轉化「難道物質和光不能互相轉變嗎？物質不可能由進入其結構中的光粒子得到主要的動力（Activity）嗎？牛頓還使用玻璃球製造了原始形式的摩擦靜電發電機。

力學和重力
1679年，牛頓重新回到力學的研究中：重力及其對行星軌道的作用、克卜勒的行星運動定律、與虎克和弗拉姆斯蒂德在力學上的討論。他將自己的成果歸結在《物體在軌道中之運動》（1684）一書中，該書中包含有初步的、後來在《原理》中形成的運動定律。

《自然哲學的數學原理》（現常簡稱作《原理》）在埃德蒙·哈雷的鼓勵和支持下出版於1687年7月5日。該書中牛頓闡述了其後兩百年間都被視作真理的三大運動定律。牛頓使用拉丁單詞「gravitas」（沉重）來為現今的重力（gravity）命名，並定義了萬有引力定律。在這本書中，他還基於波義耳定律提出了首個分析測定空氣中音速的方法。

由於《原理》的成就，牛頓得到了國際性的認可，併為他贏得了一大群支持者：牛頓與其中的瑞士數學家尼古拉·法西奧·德丟列建立了非常親密的關係，直到1693年他們的友誼破裂。這場友誼的結束讓牛頓患上了神經衰弱。

宗教觀點
雖然運動定律與萬有引力是牛頓最著名的發現，他卻反對用它們來將宇宙解釋為一部純粹的機器，譬如一座大鐘。他說：「重力解釋了行星的運動，但卻不能解釋誰讓行星運動起來的。上帝統治萬物，知曉所有做過和能做的事。」

儘管擁有科學上的名望，牛頓在《聖經》與早期教會父老上的研究也是值得注意的。牛頓寫作了一些聖經批判的作品，最著名的就是《兩處著名聖經訛誤的歷史變遷》。牛頓還擺放了一座與傳說日期公元33年4月3日相符的耶穌·基督受難像。他亦嘗試，但未成功地，去尋找《聖經》中隱藏的消息（參看聖經密碼）。

牛頓可能拒絕了教會的三位一體教義。在少數的觀點里，T·C·普菲岑邁爾（T.C. Pfizenmaier）認為他更像是持有東方東正教三位一體觀，而不是西方天主教、聖公會和大部分新教的觀點。在他的時代里，牛頓（與不少活躍於皇家學會和查理二世宮廷的人士一樣）被指是玫瑰十字會的會員。
在他的一生中，牛頓寫作了比自然科學更多的在宗教學著述。他相信一個理性的主觀世界，但他卻拒絕萊布尼茨和巴魯赫·斯賓諾莎深信的萬物有生論。因此，有序且動態的宇宙可以被理解，而且必須以主動的理性去理解，但是這個完美且注定中的宇宙，必須有規律地運行。

牛頓在宗教思想上的影響
牛頓與羅伯特·波義耳的機械論學說被理性主義作者提升成了泛神論和狂熱論的一個可行替代選項，併為東正教傳教士與宗教自由主義（Latitudinarian）一類的異見傳教士有保留地接受了。這樣，科學的清晰簡潔，使得無論是在迷信者還是無神論者中，均無人可以企及，亦無人可以駁斥之。而與之同時，英國自然神論者的第二波浪潮使用了牛頓的發現來論證「自然宗教」的可能性。