L'Optique se présente d'abord comme un traité de science expérimentale : à ce titre il convient de s'intéresser aux enjeux proprement théoriques que soulève sa lecture, selon une perspective soucieuse de lui donner sa place exacte dans l'histoire des sciences. Pour autant, il est désormais difficile d'étudier la science newtonienne sans tenir compte des importants progrès que connaît depuis une vingtaine d'années notre connaissance des autres facettes du génie de l'auteur des Principia. Les recherches de Newton sur l'optique sont inséparables de ses préoccupations théologiques.
L'optique est un centre d'intérêt pour Newton. Il comprend que la lumière n’est pas blanche, contrairement à ce que pensaient jusque là Descartes ou Hooke, mais qu’elle est constituée d’un spectre coloré. En tentant d'expliquer comment les couleurs paraissent, il parvint au raisonnement selon lequel la lumière est un mélange de différents rayons de couleurs différentes, et qu'en raison des phénomènes de réflexion et de réfraction, ses couleurs apparaissent en composants séparés.

Newton observe aussi que le rapport entre l'angle d'incidence et l'angle de réfraction a des valeurs différentes pour les composantes de la lumière. Ainsi le rayon bleu est le plus réfracté alors que le rouge est le rayon le mois réfracté du spectre. En 1672, Newton envoya un bref exposé de sa théorie des couleurs à la Royal Society de Londres. Sa publication dans la parution de la Royal Society (Philosophical Transactions) souleva la critique et renforça sa crainte d'être publié. Par la suite, il se retira autant que possible dans la solitude de ses recherches, à Cambridge. Cependant, en 1704, Newton publia Opticks, ouvrage qui expliquait en détail ses théories. En 1669, Newton construit le premier télescope utilisable. En 1671, il pense à utiliser comme objectif un miroir sphérique, dénué d'aberrations chromatiques. La réalisation du télescope est connue de la Royal Society .En 1672, Newton expose ses expériences faites au moyen du prisme qui prouve que la lumière blanche est composée de rayons colorés. Cela suscite des vives controverses, notamment avec R.Hooke et avec C.Huygens.

Huygens est un des personnages les plus importants de l'histoire de la physique. Hollandais, il a été appelé en France par Colbert pour donner du prestige à la toute jeune Académie des Sciences et lui permettre de rivaliser avec la Royal Society de Londres. Une grande rivalité va s'instaurer entre les deux académies par savants interposés. A Londres, Newton s'est attelé a l'écriture d'un Traité d'optique pour décrire et expliquer un certains nombre de phénomènes lumineux, tel que la décomposition de la lumière blanche par un prisme.
Sur la question de la nature de la lumière, une divergence d'opinion existe entre ces deux grands savants. Newton conçoit la lumière comme formée par un ensemble de petites particules lumineuses. Huygens se pose aussi cette question.
D'après Huygens, quand la lumière s'étend de part et d'autre, elle se croise mais n'a aucun effet. Alors que pour un solide c'est différent: lorsqu'un solide s'étend de part et d'autre, il se croise et il y a un impact.
Newton pense que la vitesse de l'eau est supérieure a la vitesse de l'air et donc que, la vitesse dans l'air et inférieure a la vitesse dans l'eau. On découvrira par la suite que la vitesse dans l'air est supérieure à la vitesse dans l'eau.
Cette guerre entre les deux hommes a duré plus de 200ans.

En 1675, il publie un nouveau travail sur la lumière, ou figure sa théorie corpusculaire. Pour expliquer les irisations de lames minces et l'expérience d'interférences dites "des anneaux de Newton", il attribue toute foi aux particules lumineuses certaines propriétés ondulatoires. Ces travaux ainsi que ses observations sur la diffraction de la lumière figureront dans son Optique. Newton y défend, à peu près en même temps que Malebranche, le caractère spécifique et inaltérable de chaque couleur. Il développe aussi des vues moins scientifiques sur la nature des couleurs, présentées comme une théorie mixte: la lumière est composée de corpuscules de grosseur variable selon la couleur et qui ébranlent l'éther, y créant des ondes. Newton introduit ainsi la notion de périodicité des ondes lumineuses, mais, à la différence de Malebranche, il ne distingue pas clairement périodicité et amplitude.

Après ces travaux d'optiques, Newton semble se désintéresser de la science. Mais l'astronome E.Halley, à la suite de discussions avec Hooke et C.Wren, va le consulter à Cambridge au sujet des lois de Kepler et des orbites elliptiques des planètes. Les réponses de Newton sont à ce point convaincantes que Halley le presse en 1685 de publier ses découvertes sur la gravitation. Et c'est en 1687 que parait l'ouvrage Principes mathématiques de philosophie naturelle. Newton y applique les mathématiques à l'étude des phénomènes naturels, parmi lesquels le mouvement occupe le premier rang. La force, dont l'origine et la nature nous demeurent inconnues, est uniquement définie par ses manifestations. Il y expose sa théorie de l'attraction universelle et la loi d'ou se déduisent les trois lois de Kepler. Newton donne également les lois du choc, étudie le mouvement des fluides. Grâce aux mesures de l’astronome J.Picard, il calcule la précession des équinoxes et l'aplatissement terrestre, énonce la théorie des marées, établi l'orbite des comètes.