Причиной его столь долгого отсутствия в университетских стенах была эпидемия чумы, унесшая многие жизни. В Вулсторпе Ньютон продолжил свое образование, самостоятельно изучая математику. Два года его жизни — 1665-й и 1666-й — биографы Ньютона называют «чудесными годами» — anni mirabiles.
Процесс вычисления суммы дуг кривой — метод, применяемый в интегральном и дифференциальном исчислении, позволил заложить фундамент изучения движения планет по орбитам. Изучение сил, воздействующих на планеты, привело в будущем к открытию Ньютоном законов всемирного тяготения.
Чума, вынудившая людей разъехаться по разным местам, пошла на убыль, и в 1667 году университет возобновил работу. Ньютону было присвоено звание члена научного общества Тринити-колледжа; он также удоетоился звания магистра и получил право пожизненного преподавания в университете. В 1669 году Исаак Ньютон стал преподавателем математики и начал восхождение к вершинам научных открытий.
Англиканская церковь являлась главным столпом общественной и научной жизни, к которой Ньютону необходимо было приспособиться. По религиозным убеждениям Ньютон был пуританином и потому сосредоточил все свои усилия на научных исследованиях, дабы избежать соблазнов, способных отвлечь его внимание. В 1674 году потребовалось вмешательство одного его друга, королевского капеллана, чтобы освободить ученого от обязанности принятия духовного сана.
Главным предметом научного интереса Ньютона являлась природа света. Он высказал предположение, что белый свет — не чистый цвет, что считалось определяющим и единственным мнением еще со времен Аристотеля, а состоит из целого спектра цветов. Ньютон экспериментировал с различными призмами и представил научному Лондонскому королевскому обществу свое изобретение — телескоп-рефлектор, что стало в 1672 году причиной принятия его членом названного общества.
Ньютон обосновал законы движения материальных тел и воздействие центробежной силы на предметы, движущиеся по круговой орбите. Он также разработал дифференциальные и интегральные уравнения и при помощи особых расчетов открыл закон всемирного тяготения. В своей книге «Математические начала натуральной философии» («Philosophiae Naturalis Principia Mathematica») он объяснил причины отклонения лунной орбиты и земных приливов, а также прецессию земной оси. Эта работа была опубликована в 1687 году и признана величайшим научным исследованием всех времен.
Для человека, разработавшего научные принципы, которые остаются актуальными и в наши дни, Ньютон был человеком с неортодоксальными интересами: его чрезвычайно занимала алхимия — мистическое искусство превращения металлов в золото. Эти исследования отнимали немалую долю времени великого ученого, и он оставил после себя обширные записи о проводимых им алхимических опытах, хотя и не опубликовал ни одной работы на эту тему.
В основе веры Ньютона в алхимию лежали унаследованные от Аристотеля описания четырех стихий, которые в сочетании с определенными условиями и материалами могут быть превращены одна в другую при правильном соблюдении пропорций самих материалов и внешних условий. Еще в IV веке в сознании алхимиков прочно укоренилось мнение, что все металлы состоят из различных сочетаний ртути и серы. Из этого следовало, что любой металл, например свинец, можно превратить в другой металл — допустим, в золото, в результате изменения соотношения в нем серы и ртути. Манускрипт «Corpus Hermeticum», датируемый приблизительно II—III веками и приписываемый Гермесу Трисмегисту, во многом побудил развитие алхимии в Европе.