1664年，牛顿开始利用课余时间进行自己的研究。他首先用三棱镜研究光的结构，发现光的分光有不同的折射率。1665年至1667年，英国发生可怕的黑死病，死了许多人。大学宣布停课，政府下令所有人不准离家远行，以免感染或传播黑死病。在这段时间，牛顿由无穷等比级数的解法里创立了微积分。
事后有人问牛顿，为什么他能够有这么伟大的发现，牛顿答道：“我始终把思考的主题像一幅画般摆在面前，再一点一线地去勾勒，直到整幅画慢慢地凸显出来。这需要长时间的安静与默想。”
牛顿对科学的思索与他的信仰有密不可分的关系。他常在信仰的思索里想到科学，在科学的思索里想到信仰。1666年，他开始思索地球在轨道上的运转，并且计算运转时的重力与离心力的关系。1669年，他在笔记上写下他的发现——万有引力定律。
牛顿是在什么情况下发现万有引力定律的呢？他的好友史塔克利说：“牛顿经常在花园散步，有一天中午他回来了，对我说他看到一个苹果掉到地上，想到了万有引力。”这个苹果后来成为牛顿发现万有引力的标志，其实更重要的是，牛顿有独自来到花园祷告与默想的习惯。因此后人说：“近代科学源自牛顿对上帝的默想。”
二
当时许多科学家、教授都看不出牛顿的杰出，甚至讥讽他的理论“又是解释天体论的陈腔滥调”。幸好这时有贝若的支持。
贝若是当时欧洲的光学泰斗，剑桥大学首屈一指的数学与天文学教授，是少数能仔细验证牛顿数学与物理学观念的人，也是一名基督徒。他私下找到牛顿，对这个最优秀的学生提出最严格的要求。贝若要求牛顿：“回到物理学最基本的假设上，精密地验证每个假设，一次又一次，几乎无止境地反复验证，并投入所有的精力，以免将其浪费在无用的芝麻小事上。”然后贝若申请退休，让27岁的牛顿接替他的职位，成为剑桥大学的教授。