1642年註定要成為科學史上不平凡的一年。這年初，科學巨星、近代力學之父伽利略隕落；而這年歲尾，另一顆科學巨星牛頓卻在英國升起。這是一顆更加燦爛的明星，科學史上千年一遇的巨人。他在天文學、力學、光學和數學上都取得了開創性的成就，為科學史開創了一個牛頓時代。
1642年12月25日，艾薩克·牛頓出生在英國林肯郡，是一個小農的遺腹子牛頓出世時，給他接生的接生婆說：「咳！這麼一個小不點兒，我簡直可以把他塞進一隻杯子裡去。」這就是命運之神把一個叱吒風雲的思想家介紹到世界上來的那種開玩笑的方式。
由於母親再嫁，從兩歲起，他就與年邁的外祖母過著貧困孤苦的生活。在小學時他就非常愛科學，經常製作一些靈巧的小機械，如水鍾、風箏和日晷等。他的興趣很廣，時而做詩，時而繪畫。他是一個意志堅強的孩子。因為經濟困難，14歲就離開學校回家務農。勞動之暇，他獨自躺在草地上聚精會神地鑽研數學。
牛頓的舅父是劍橋大學三一學院成員，發現牛頓熱愛科學，很有鑽研精神，就幫助他重新回到學校讀書。1661年，牛頓18歲，作為公費生進入劍橋大學學習。劍橋是英國最古老、最有威望的大學之一。這是一所思想比較自由、學術氣氛濃厚的高等學府。他在這裡學習數學、天文學和物理學。讀到三年級時，一位遊歷過歐洲大陸的學者巴羅來劍橋擔任「魯卡斯講座」的首任教授，給劍橋帶來了科學的新曙光。他向學生介紹哥白尼、克卜勒、伽利略和笛卡爾等人的先進思想、科學理論以及研究方法，使牛頓大開眼界。巴羅發現牛頓的才華，舉薦牛頓為研究生，讓他繼續在劍橋深造。
1665年秋季到1667年春季期間，倫敦市區瘟疫流行，各校停課，學生被遣散回家。牛頓也回到農村老家住了18個月。表面看來，牛頓隱居窮鄉僻壤田舍山莊之中，但他的頭腦正掀起科學革命的巨浪，成為牛頓一生劃時代的創造的歲月在這期間，23歲的牛頓首先發現了數學中的二項式定理，然後建立微分學，第二年又建立積分學：他用三稜鏡研究光學，發現了白光的組成，還考慮過引力問題。
1667年，牛頓回到劍橋大學三一學院繼續其學業，於1668年得到碩士學位1669年，由巴羅推薦，任劍橋大學教授，接替巴羅擔任了魯卡斯講座的第二代教授職務。這時，牛頓年僅27歲。可以這樣認為，如果沒有舅父和巴羅教授的熱情幫助，牛頓這匹千裡馬就不可能馳騁在科學的大道上。
牛頓在劍橋大學講授的第一門課程是光學，他公開發表的第一篇論文也是研究光色來源的。牛頓對光學有著經久不衰的濃厚興趣。早在1668年，他就親自設計並動手製作了一架反射望遠鏡模型。這架望遠鏡雖然不大（長6英寸，直徑1英寸），但是卻可以放大40倍，能夠清楚地看到木星的4個衛星和金星的盈虧現象。這架反射望遠鏡的觀測效果，大大超過了同樣大小的折射望遠鏡。英國皇家學會極為讚賞，並要求他正式做一架。於是牛頓在1671年製造了一架更大的反射望遠鏡。同年秋天，這架當時世界上最好的望遠鏡又被送給了英國皇室，受到讚揚。這架望遠鏡至今被作為珍品保存在英國皇家學會，上面標著「牛頓爵士親手所造的世界上第一架反射望遠鏡」的字樣。
由於反射望遠鏡的發明，牛頓被提名為英國皇家學會的候補會員。不久，於1672年1月，又被推選為正式會員。牛頓的第一篇論文《關於光和色的新理論》就是這一年在《皇家學會哲學雜誌》上發表的。在這篇論文中，不僅總結了他在光學方面所進行過的實驗結果，更為重要的是提出了光的本質問題。牛頓認為，光是與以太相互作用而產生波的高速度粒子流。這種見解，在光學史上稱為「微粒說」。牛頓對光學的發展作出了巨大的貢獻。後世科學家評論說：「單憑他在光學上的成就，牛頓就已經可以成為科學上的頭等人物。
當然，牛頓最重要的成就並不是在光學上，而是發現了萬有引力定律。它的發現是牛頓力學的最高成就。自從克卜勒發現行星運動三大定律之後，許多科學家都在探索行星遵循三大定律運行背後的原因。牛頓自然也不例外，並且有證據證明，早在166-1666年躲避瘟疫隱居家鄉期間，他就已經思考過天體的引力問題。牛頓那個幾乎婦孺皆知的「蘋果落地」的故事就發生在那期間。
1666年秋天的一個傍晚，牛頓坐在花園的蘋果樹下，正在考慮一個運動的問題。忽然一隻熟透的蘋果掉了下來，正好落在牛頓的前面。這隻蘋果引起了牛頓的注意。他想，蘋果為什麼不向天上飛，也不向前後左右落，而偏偏垂直地落到地上呢？肯定是地球在吸引它。既然地球能吸引離地面這麼高的蘋果樹上的蘋果，那它也肯定在吸引著月亮。於是，牛頓就發現了萬有引力定律。至今在劍橋大學三一學院的博物館中，還保存著那棵蘋果樹的一段樹幹，作為紀念當然，這僅僅是一個故事而已，肯定存在著後人的誇大渲染。如果單憑蘋果落地，牛頓一下子就發現了萬有引力定律，那成為一個科學巨匠也太容易了。牛頓自己就曾說過，萬有引力定律是「不停地思考」的結果。不過，蘋果落地觸發牛頓對引力的思考，這是完全可能的。
在長時間的思考中，牛頓逐漸認識到，地球吸引地球表面物體的力（如吸引蘋果落地的力），與地球吸引月球的力，以及太陽吸引行星的力，是同一種力。這種力是任何物體、任何物質都有的，因而是萬有的。這是人類認識上的一個重大飛躍。後來，牛頓又通過對地球對月球的引力研究，發現了地月間的引力與其距離平方反比的關係，並認為，這一引力並非磁力，本質上就是重力。
不過，牛頓對引力的這些研究結果一直沒有發表，直到多年後的80年代才重新提出。這一點頗令人費解，據後來科學史家考證，主要的原因是牛頓無法肯定天體的全部質量是否集中在其中心，這樣也就無法確定兩個天體之間的距離精確值。雖然在一般天體情況下，這一點影響並不大，但牛頓是一個非常謹慎的人，對此他是不會貿然下結論的。後來，在1685年他的微積分創立後，這問題才得完滿的解決。這樣萬有引力定律也才完美地提出來。
然而，讓牛頓煩惱的是，萬有引力定律卻引來了一場關於其首創權的爭議，牛頓被指責剽竊他人研究成果。