Entre outras coisas, foi nesse período que Newton desenvolveu o cálculo diferencial e integral, peça fundamental em todo trabalho teórico das ciências naturais, desde essa época. Em 1669, esses resultados possibilitaram a Newton, com apenas 27 anos, ser nomeado professor de Física na Universidade de Cambridge. Logo publicou seu livro sobre a Óptica, onde descreve suas observações feitas durante os anos que passou fugindo da peste em Lincolnshire, inclusive seus resultados sobre a decomposição da luz branca e sua explicação para o arco-íris. Descreve também o telescópio de reflexão que inventou e que evitava os defeitos de aberração cromática que atrapalham a observação com lunetas de refração. Em 1672, Newton doou esse telescópio à Sociedade Real de Ciências para qual fora recentemente eleito.

Seu trabalho mais importante, o livro "Princípios Matemáticos da Filosofia Natural", só foi publicado em 1687, por insistência de Edmund Halley, seu amigo e admirador. Nesse livro, Newton estabelece suas leis da mecânica (as famosas três leis de Newton) e a lei da gravitação universal, com a qual explica o movimento dos planetas em torno do Sol e dos satélites em torno dos planetas. Esse livro é considerado o livro mais importante já escrito sobre física e astronomia.