Svoju De Methodis Serierum et Fluxionum napísal, ale nepublikoval v roku 1671. V anglickom preklade ju vydal až John Colson v roku 1736.
Roku 1667 univerzitu v Cambridge opäť otvorili. Po roku, v júli 1668, už s hodnosťou magistra, stal sa odborným asistentom vyššieho stupňa. Jeho práce si získali uznanie. Roku 1669 sa jeho patrón Barrow pokúsil z Newtonovými prácami oboznámiť vedecký svet. V tom istom roku sa Barrow utiahol do ústrania a za svojho nástupcu vo funkcii vedúceho katedry matematiky odporučil Newtona. Isaac mal v tom čase iba 27 rokov.
Prvá práca mladého profesora bola z optiky. Dospel k presvedčeniu, že biele svetlo nemá „jednoduchú podstatu“, ako tvrdil Aristoteles. Presvedčila ho o tom chromatická aberácia v ďalekohľade. Keď pozoroval prechod slnečného lúča cez sklenený hranol, všimol si spektrum farieb. Tak zistil, že biele svetlo je zmesou viacerých rozdielnych typov žiarenia, ktoré sa lámu pri nepatrne rozdielnych uhloch, takže typ žiarenia produkuje inú spektrálnu farbu. Newtona viedla táto úvaha k chybnému presvedčeniu, že ďalekohľady so šošovkami budú mať vždy chromatickú aberáciu. Preto navrhol a skonštruoval zrkadlový ďalekohľad.
Roku 1672, potom, čo Kráľovskej spoločnosti daroval zrkadlový ďalekohľad, zvolili ho za jej člena. V tom istom roku publikoval aj svoju prvú vedeckú prácu o farbe a svetle. Prácu prijali priaznivo, iba Hooke a Huygens namietali, že svetlo má skôr vlnový charakter. Newtonovu kropuskulárnu teóriu revidovali až v 19. storočí.
Roku 1675 Hooke vyhlásil, že Newton ukradol niektoré jeho optické výsledky. Newton preto vydal svoje práce z optiky až po Hookeovej smrti v roku 1703. jeho Optika vyšla v roku 1704. zaoberá sa teóriou svetla a farby, výskumom farieb spektra, „Newtonovými prstencami“ a difrakciou svetla. Na vysvetlenie niektorých pozorovaní použil vlnovú teóriu svetla v spojení so svojou korpuskulárnou teóriou.
Newtonovým najväčším úspechom bola jeho práca vo fyzike a nebeskej mechanike, ktorá kulminovala v teórii všeobecnej gravitácie. Do roku 1666 mal už prvé verzie svojich troch pohybových zákonov. Objavil aj zákon odstredivej sily na rovnomerne pohybujúce sa teleso na kruhovej obežnej dráhe. Nemal však presné vysvetlenie mechaniky kruhového pohybu. Newtonovou novou myšlienkou bola predstava, že zemskú gravitáciu ovplyvňuje Mesiac, ktorý vyvažuje jej odstredivú silu. Zo zákona odstredivej sily a Keplerového tretieho zákona pohybu planét odvodil gravitačný zákon.
Po svojej korešpondencii s Hookom, našiel dôkaz, že Keplerov zákon plôch bol dôsledkom odstredivých síl.