Il donna, en 1669, une théorie de la composition de la lumière blanche, qu'il pensait formée de corpuscules, expliquant ainsi l'arc-en-ciel et les irisations produites par les lames minces ; en 1671, il réalisa le premier télescope. En 1687, il publia ses Principes mathématiques de philosophie naturelle, où il énonce la loi de l'attraction universelle, sans doute élaborée depuis longtemps ; cet ouvrage expose aussi les lois du choc, étudie le mouvement des fluides, calcule la précession des équinoxes, donne la théorie des marées, etc. On lui doit aussi un Traité de la quadrature des courbes (1704), où il pose les règles du calcul infinitésimal, au moment où Leibniz inventait le calcul différentiel.
On raconte que c'est la chute d'une pomme qui, vers 1666, l'aurait mis sur la voie de la découverte de la gravitation, en l'amenant à penser que l'attraction de la Terre pouvait s'étendre jusqu'à la Lune, et celle du Soleil expliquer les lois de Kepler sur les planètes.
