نیوتن در نوجوانی، شروع به مطالعه کتاب «اسرار طبیعت و هنر» (The Mysteries of Nature and Art) کرد. در این کتاب، او طرز ساختن دستگاه‌های ساده و نحوه مطالعه و غور در طبیعت را فرا‌گرفت. ذهن او به‌شدت درگیر چیزهایی بود که فیزیکدان‌های اولیه درآن زمان در حال مطالعه بودند؛ زمان و حرکت. پس شروع کرد به ساختن آسیاب‌های بادی، قایق‌های کوچک و بادبادک‌هایی که همسایه‌هایش را به وحشت می‌انداخت. او به بادبادک‌ها شمع وصل می‌کرد و آن‌ها فکر می‌کردند شهاب سنگی در حال افتادن است. ولی از‌‌ همان ابتدا هم نیمه دیگری از شخصیت آیزاک نیوتن وجود داشت. پدر او قبل از تولدش از دنیا رفت و مادرش هم در سه سالگی آیزاک، با مرد دیگری ازدواج کرد و او را با پدر بزرگ و مادر بزرگش تنها گذاشت. این کار آن‌چنان تاثیر بدی بر او گذاشت که بعد‌ها به تلاش برای سوزاندن مادر و ناپدری‌اش در خانه‌شان اعتراف کرد. 

زمانی که نیوتن خانه را به قصد دانشگاه کمبریج ترک کرد، دو دهه زندگی در فضایی پر از هرج و مرج‌های سیاسی و اجتماعی مانند جنگ‌های خونین داخلی، گردن زدن پادشاه و به قدرت رسیدن دوباره حکومت سلطنتی به پادشاهی چارلز دوم در 1660را پشت سر گذاشته بود. 

در کمبریج، نیوتن خود را در مطالعاتش غرق کرد. او در این‌باره می‌نویسد: «حقیقت فرزند سکوت است؛ مراقبه‌ای است بی‌پایان.» او هرگز جایی نمی‌رفت. نه به مسافرت می‌رفت و نه گشت و گذار. او خود را مجبور می‌کرد هفت روز هفته، روزی 18 ساعت در اتاقش روی مطالعاتش کار کند. او کتابخانه‌ای با حدود 1600 تا 1800 جلد کتاب داشت. دنیای او تقریبا از نوشته‌ها و دانش دیگران تشکیل شده بود. دنیای پر از خوشگذرانی کمبریج در آن زمان، دنیای دیگری بود و نیوتن به هیچ عنوان مایل نبود بخشی از آن باشد. این فضا پس از به قدرت رسیدن چارلز دوم به وجود آمده بود و آیزاک جوان اصلا نمی‌خواست مانند دیگر جوانان خود را با لذت‌های آن آلوده کند. برای مبارزه با وسوسه، نیوتن برای خود برنامه‌ای در نظر گرفت و تا پایان عمر به آن پایبند ماند. او می‌نویسد: «راه رسیدن به عفت و پاکدامنی، درگیری مستقیم با مفهوم پرهیزگاری نیست؛ بلکه منحرف کردن آن به سوی چیز دیگری مانند مطالعه یا تعمق و مراقبه درباره چیزهای دیگر است.» 

او جوانی ساکت و متفکر بود اما از بیرون انسانی خسته‌کننده و ملال‌آور به نظر می‌رسید. احتمالا به جز جان ویکینز، دوست و هم‌اتاقی‌اش، کسی از او خوشش نمی‌آمد. او و نیوتن به این دلیل هم اتاقی شدند که هر دو از جوانان دیگری که لذت را بر کار ترجیح می‌دادند، دل خوشی نداشتند. ویکینز ابتدا از لحاظ علمی درجه‌ای بالا‌تر از نیوتن داشت؛ ولی این‌طور که به نظر می‌رسد، او تا 20 سال بعد که با هم هم اتاقی ماندند، منشی او به حساب می‌آمد. 

به عنوان یک دانشجو، نیوتن خود را با جدید‌ترین نظریات علمی مشغول می‌کرد. در این زمان، دیگر همه قبول داشتند که سیارات به دور خورشید می‌گردد. اما سوال اساسی این بود که سیارات چگونه حرکت می‌کنند؟ چه چیزی آن‌ها را در مدارشان نگه می‌دارد؟ مقبول‌ترین نظریه را فیلسوف فرانسوی، رنه دکارت ارائه کرد. او عنوان کرد که جهان ماشین بسیار بزرگی شبیه یک ساعت است و همه چیز، حتی حرکت سیارات را می‌توان به سادگی با برهم کنش‌های فیزیکی بین اجزای آن توضیح داد. اما نیوتن نمی‌توانست با این نظریه کنار بیاید. او بسیار باهوش بود و به این نتیجه رسیده بود که تنها نظریاتی قابل قبول هستند که در آزمایشگاه قابل انجام باشند. 

در همین زمان بود که طاعون سیاه در انگلستان همه‌گیر شد. هر هفته، هزاران نفر جان خود را از دست می‌دادند. دانشگاه تعطیل شد و نیوتن برای در امان ماندن از آن، به خانه بازگشت و در همین زمان بود که در باغ سیب کنار خانه، افسانه افتادن سیب پا به عرصه وجود گذاشت. 

داستان این گونه گفته شده که او در زیر درخت سیب نشسته بود و به جای خوشگذرانی به حرکت ماه و خورشید و محاسباتش فکر می‌کرد که ناگهان سیبی از درخت می‌افتد و او بلافاصله متوجه می‌شود که‌‌ همان چیزی که سیب را به سمت زمین می‌کشید، ماه را در مدارش نگه داشته است. نیوتن در دوران پیری، خود این داستان را نقل کرده و همچنین گفته است که با افتادن آن سیب، او متوجه شد که چیزی که سیارات را در مدارشان نگه می‌دارد، آن‌طور که دکارت می‌گفت، مکانیسمی فیزیکی نیست؛ بلکه نیروی نامرئی است که آن را «جاذبه» نامید. او در ادامه چنین گفته که‌‌ همان شب- زمانی که در حال محاسبه قدرت این نیرو در نور آتش اتاقش بود- متوجه شد که محاسباتش آن‌طور که می‌خواست از آب در نیامدند و در نتیجه، او این نظریه را کنار گذاشت. البته بسیاری از تاریخ‌نگاران علم معتقدند که داستان سیب، افسانه‌ای بیش نبوده و نمی‌توانست باعث چنین کشفی شود. ولی در این مساله که در آن زمان نیوتن در حال مطالعه روی این نظریه بود، شکی وجود ندارد. گالیله با آزمایش ثابت کرده بود که دو جسم متفاوت، با هر شکل و جرمی، با شتاب ثابتی به سمت زمین کشیده می‌شوند. در واقع اگر از یک ارتفاع‌‌ رها شوند، با سرعت یکسانی به زمین می‌رسند. برای مثال اگر بخواهید سرعت متوسط افتادن یک سیب را محاسبه کنید، باید فاصله‌ای را که سیب طی می‌کند، بر زمانی که طول می‌کشد تا به زمین برسد، تقسیم کنید. اما نیوتن با این نوع محاسبه راضی نشده بود؛ چون سرعت سیب در هر نقطه‌ای از مسیر متفاوت بود. بنابراین برای به دست آوردن سرعت لحظه‌ای سیب در هر نقطه باید میزان جابه‌جایی سیب را در زمانی هر چه کوتاه‌تر تقسیم می‌کرد. نیوتن راهی پیدا کرد تا این زمان را تا حد شگفت‌انگیزی کوتاه در نظر بگیرد. 

این عدد بسیار کوچک بود؛ آن‌قدر کوچک که به صفر نزدیک می‌شد. پس برای اولین بار محاسبه مقادیر متغیری که تا آن زمان قابل اندازه‌گیری نبودند، ممکن شد. با این تکنیک، نیوتن شاخه جدیدی از ریاضیات به نام حسابان را به دنیا معرفی کرد و در نتیجه دیدگاه بشر نسبت به جهان عوض شد. در واقع حسابان، ستون اصلی دانش مدرن به حساب می‌آید. امروزه حسابان در همه جا کاربرد دارد؛ از محاسبات بازارهای جهانی بورس گرفته تا مدل‌سازی وضعیت‌های مختلف آب‌وهوایی. 

زمانی که نیوتن 22 ساله درگیر محاسبات و مطالعات خود بود، هنوز هیچ‌کس نمی‌دانست که او بزرگ‌ترین ریاضی‌دان و فیزیکدان تاریخ خواهد شد. او انسانی بود که از محاسبه- حال از هر نوعی - لذت می‌برد. در میان چیزهایی که در نوشته‌های او دیده می‌شود، مثلادر بعضی محاسبات، نتایج را تا 50 رقم اعشار محاسبه کرده، نه به خاطر اینکه لازم بود؛ بلکه به این دلیل که از این کار لذت می‌برد. 

موضوع دیگری که ذهن نیوتن را مشغول کرده بود، مطالعه روی نور بود. او ابتدا روی چشم خود آزمایش‌های خطرناک می‌کرد؛ ولی خوشبختانه بعد راه بی‌خطری را برگزید و شروع به انجام آزمایش با منشور کرد. از ارسطو تا دکارت، فیزیکدانان معتقد بودند که نور خورشید یا نور سفید، خالص بوده و نورهای دیگر بر اثر دستکاری نور سفید ایجاد می‌شوند. او می‌خواست این مساله را بررسی کند. پس شعاع نور سفیدی را از منشور گذراند و طیف‌های نوری را مشاهده کرد. در آن هنگام، او پا را یک قدم فرا‌تر گذاشت و نور قرمز را از منشور دیگری گذراند. او مشاهده کرد که نور قرمز به جای اینکه به نور دیگری تبدیل شود، قرمز می‌ماند. او نتیجه‌گیری کرد که نور سفید خالص نیست؛ بلکه از تمامی رنگ‌های رنگین کمان تشکیل شده است. او معتقد بود که منشور، «اجسام تشکیل‌دهنده نور» را از هم جدا می‌کند. این کشف جدید برای کسانی که در مورد آن مطالعه می‌کردند، به‌هیچ‌عنوان قابل هضم نبود؛ چون به این معنی بود که زمانی که به نور سفید نگاه می‌شود، تمامی رنگ‌ها درون آن هستند. این با عقل آن‌ها جور درنمی‌آمد. 

نیوتن فقط 24 سال داشت و با این حال، بزرگ‌ترین تاثیرات را در تاریخ علم بر جای گذاشته بود؛ اما در باره آن با هیچ‌کس صحبت نکرده بود. بعد از اینکه طاعون سیاه رخت از انگلستان بربست، او به کمبریج بازگشت و به تدریس ریاضیات در کرسی لوکاسی پرداخت. این کرسی بعد‌ها در اختیار پل دیراک و استفن هاوکینگ هم قرار گرفت. نیوتن به خاطر موهای سفید و سخنرانی‌های طولانی‌اش درباره نور مشهور بود. در حقیقت کلاس‌های او برای بیشتر دانشجویان بیش از حد خسته‌کننده و طولانی بود. سال‌ها بعد یکی از مسؤولان آزمایشگاه دانشگاه درباره او گفت: «عده کمی سر کلاس او حاضر می‌شدند و عده بسیار قلیلی از آن‌ها، صحبت‌های نیوتن را درک می‌کردند. بسیاری اوقات مثل این بود که او دارد با دیوار صحبت می‌کند.» 

اما تئوری نور نیوتن باعث شروع انقلاب جدیدی شده بود. 50 سال قبل، گالیله اولین تلسکوپ را اختراع کرده بود. تلسکوپ او از عدسی برای بزرگ‌نمایی بهره می‌برد. اما این تلسکوپ یک مشکل اساسی داشت. عدسی‌های آن، هاله‌ای نورانی و رنگی را دور اجسام نورانی نشان می‌دادند؛ حتی اگر آن جسم نورانی، چنین رنگی نداشت. 

نیوتن شروع به فکر کردن روی این مشکل کرد. او متوجه شد که لنز‌ها مانند منشور عمل کرده و نور را تجزیه می‌کند. پس او به جای استفاده از لنز از آینه استفاده کرد و تلسکوپ جدیدی ساخت که نور‌ها را به هم نمی‌ریخت و با اینکه 15 سانتی‌م‌تر بیشتر طول نداشت، می‌توانست تا 40 برابر بزرگ‌نمایی داشته باشد. او توانسته بود با این وسیله، مشتری را با اقمارش مشاهده کند. این وسیله تا امروز استفاده می‌شود حتی تلسکوپ فضایی هابل هم به همین ترتیب عمل می‌کند. 

او به این وسیله فقط به دید یک اسباب بازی نگاه می‌کرد؛ ولی یکی از همکارانش آن را به چارلز دوم، پادشاه وقت نشان داد. این کار، نیوتن را یک شبه در تمام انگلستان معروف کرد. او به عنوان عضوی در انجمن سلطنتی پذیرفته شد که از دانشمندان پیشرو لندن تشکیل شده بود. آن‌ها با اینکه خیلی از صحبت‌های او سر در نمی‌آوردند، از دیدنش خوشحال بودند. 

او نیز به آن‌ها قول داد تا مقاله‌ای درباره اینکه نور سفید، نورهای دیگر را در خود دارد برای آن‌ها بفرستد. اما اعضای این انجمن حتی تصورش را هم نمی‌کردند که نیوتن در حال مطالعه چیزی بسیار اسرار آمیز‌تر از نور بود.