《光學》是牛頓最重要的著作，雖然這部巨著是在1704年出版的，但實際上它的主要思想和基本理論都是在1666至1676年這一段時期形成的。牛頓之所以推遲發表，主要原因是不願胡克在世的時候因他發表任何東西而引起無謂的爭論。他與胡克之間有著很深的成見，既聰明乖巧又充滿嫉妒心的胡克對牛頓提出的論文，尤其是光學方面的，總要加以非難，甚至說牛頓剽竊了他的思想，對此，牛頓感到非常煩惱。
1703年胡克在長期患病後與世長辭。第二年，牛頓就決定發表他的這部巨著。在序言裡，牛頓寫道：「為了避免對這些論點的無謂爭論，我推遲了這部書的公開發行，如果沒有朋友們的敦促，可能還要推遲一段時間。」《光學》的全名是《光學或光的反射、折射、彎曲與顏色的論述》，它探討了「迄今為止光學中談論過的一切」。《光學》詳盡地詮釋了這「光色理論」，除給予色散現象以科學解釋並對虹霓作出定量分析外，還剖解了視覺的成因和眼睛的作用機制，而且在驗證光分解的同時又用實驗表明光的再合成。所有這些，都成為牛頓之後十分完善的顏色理論以及光譜學的主要基石。當然，書中又明確闡述了光的反射定律和折射定律，以及關於全反射、透鏡成像等現象的一系列原理。
《光學》的語言和行文質樸而平實，記錄了牛頓在光學研究上的全部「個人活動」。全書共分為三編。第一編首先列舉「定義」和「公理」，然後討論一般的折射與反射，太陽光譜與反光望遠鏡。從八個定義和八個公理開始，按順序對他關於光和色的主要發現和理論進行了闡述。第二編研討薄膜的顏色，中心論題是討論被稱為「牛頓圈」的現象，實際上是討論光的幹涉效應。同時還對自然物體的永久顏色以及它們和薄透明板的顏色之間的類似性作了討論，作出了物質的最小的不可能再細分的組成部分一定是透明的，它們的大小可以用光學方法推斷出來。第三編討論光的衍射、晶體內部折射和一般哲學問題，最後列舉了31個「疑問」。
在全書末尾，牛頓專門論述了自然哲學的兩種研究方法：分析法和綜合法。與《原理》相比，《光學》更偏重於分析，牛頓有時把光學歸於「實驗哲學」。牛頓指出，對於困難的研究課題，「總是應當先用分析法，然後才用綜合法」。分析的方法「包括做實驗和觀察，用歸納法從中作出普遍的結論」；用分析法論證，「一般總是從結果到原因，從特殊原因到普遍原因，一直論證到普遍的原因為止」。至於綜合的方法，則「假定原因已經找到，並且把它們立為原理，再用原理去解釋由它們發生的現象，同時證明這些解釋的正確性」。儘管牛頓聲稱「在實驗哲學中不應當考慮什麼假說」，但在《光學》一書裡，關於他自己所作的假說，並用以解釋種種光學現象的文字比比皆是。
實際上，無論在分析和歸納的過程中，還是在綜合和演繹的過程中，都需要理論思維和數學工具，都必須尋根究底和解析因果；在尋找普遍原因或論證普遍法則和一般定律時，都必須憑藉科學的假說。牛頓確是這樣做的，但他又強調不把「虛構假說」作為主要依據，反過來卻是竭力謀求證實所作假說的可靠性。因此，他著重探討光的本性、追究引力等吸引作用的起因，其目的在於揭示宇宙的普遍規律與和諧結構，解決一些力學和光學的基本問題。在1717年第二版修訂中，他又加上了這樣一段話：「這些原則我不認為帶有什麼神秘性，只是萬物形成的自然法則罷了，雖然人們還沒有發現真理，只是用想像昭示而已。現象是客觀的，只是引起現象的原因顯得有點神秘罷了。」這些話表明了牛頓寫作這部著作的指導思想和思維方法。
牛頓的《光學》一書在科學史上佔有非常重要的位置，不僅是由於他論述了「迄今為止光學中談論過的一切」，從理論上進行了概括和總結，還在於他的科學探索精神。這種探索精神集中體現在《光學》出版第二版時，他在結尾部分加的疑問上。他寫道：「在第三編的末尾我加進了一些問題，我之所以用提問的方式把它說了出來，乃是因為缺乏實驗，我對它尚不感到滿意的緣故。」這些問題雖然名為疑問，實際上卻是牛頓多年研究的結果，是他深思熟慮但感到仍必須深入探討的一些問題，範圍之廣超過了光學，涉及自然界諸多的其他現象。後人認為，疑問是這部著作的特色所在。疑問帶有猜想的性質，對後來的科學研究有很大的啟發。
科學的發展證明，牛頓的這些天才猜想很多都是正確的，或者提供了極為有益的啟發。儘管有些被證明是不正確的，但是，這是由歷史的局限性所造成的，對任何一個偉大人物都是不可避免的。如果不是這樣，反倒令人感到不可思議了。《光學》出版之後，於1717年、1721年和1730年分別修訂再版。愛因斯坦為其寫過前言，對牛頓及其光學成就作了高度的評價：「幸運啊牛頓，幸福啊科學的童年！誰要是用閒暇和寧靜來讀這本書，就會重新生活於偉大的牛頓在他青年時代所經歷的那些奇妙的事件當中。他把實驗家、理論家、工匠和並非最不重要的講解能手兼於一身。他在我們面前顯得很堅強，有信心，而又孤獨；他的創造樂趣和細緻精密都顯現在每一個詞名和每一幅插圖之中。」《光學》一書不僅是牛頓對於光學諸多建樹的確切記錄，而且也是他所崇尚的科學研究方法的真實反映，更是他那探索大自然的「內心思想活動」所透視出來的「偉人智慧光芒」的可貴斂聚。《光學》對於後來的科學研究者影響之大超乎人們的想像，而且，它的科學影響不只局限於光學領域，其他領域的研究也不同程度地受到了它的啟發和引導。