萬有引力定律的發現是近代經典物理學發展的必然結果。科學史上普遍認為，這一成果應該歸功於偉大的牛頓。但是，其他傑出的科學家如胡克、哈雷等在這一方麵也做出了非常重要的貢獻。但與牛頓相比，他們的觀點和研究方法總是存在著這樣或那樣的缺陷，最終與跨時代的科學發現失之交臂。
早在1661年，就已覺察到引力和地球上物體的重力有同樣的本質。1662年和1666年，他曾在山頂上和礦井下用測定擺的周期的方法做實驗，企圖找出物體的重量隨離地心距離而變化的關係，但沒有得出結果，在1674年的一次演講“證明地球周年運動的嚐試”中，他提出要在一致的力學原則的基礎上建立一個宇宙學說，為此提出了以下三個假設：“第一，據我們在地球上的觀察可知，一切天體都具有傾向其中心的吸引力，它不僅吸引其本身各部分，並且還吸引其作用範圍內的其他天體。因此，不僅太陽和月亮對地球的形狀和運動發生影響，而且地球對太陽和月亮同樣也有影響，連水星、金星、火星和木星對地球的運動都有影響。第二，凡是正在作簡單直線運動的任何天體，在沒有受到其他作用力使其沿著橢圓軌道、圓周或複雜的曲線運動之前，它將繼續保持直線運動不變。第三，受到吸引力作用的物體，越靠近吸引中心，其吸引力也越大。至於此力在什麼程度上依賴於距離的問題，在實驗中我還未解決。一旦知道了這一關係，天文學家就很容易解決天體運動的規律了。”
胡克首先使用了“萬有引力”這個詞。他在這裏提出的這三條假設，實際上已包含了有關萬有引力的一切問題，所缺乏的隻是定量的表述和論證。但是，胡克缺乏深厚的數學基礎和敏捷的邏輯思維能力。他錯誤的認為，目前需要的是更加準確的實驗數據，而沒有想到精確的測量結果已經包含在了開普勒的實驗記錄中。
1680年1月6日，胡克在給的一封信中，提出了引力反比於距離的平方的猜測，並問道，如果是這樣，行星的軌道將是什麼形狀。1684年，在胡克和愛德蒙·哈雷、克裏斯多夫·倫恩等人的一次聚會中，又提出了推動這一研究的問題。倫恩提出了一筆獎金，條件是要在兩個月內完成這樣的證明：從平方反比關係得到橢圓軌道的結果。胡克聲言他已完成了這一證明，但他要等待別人的努力都失敗後才肯把自己的證明公布出來。哈雷經過反複思考，最後於1684年8月專程到劍橋大學向當時已有些名望的牛頓求教。牛頓說他早已完成了這一證明，但當時沒有找到這份手稿；在1684年底牛頓將重新做出的證明寄給了哈雷。在哈雷的熱情勸告和資助下，1687年，牛頓出版了他的名著《自然哲學之數學原理》，公布了他的研究成果。
從《原理》中可以看出，牛頓首先是從猜測和直覺開始他關於引力的思考的。他看到，在地麵上很高的地方，重力並沒有明顯的減弱，那麼它是否也可以到達月球呢？如果月球也受到重力的作用，就可能是這個原因使它保持著球繞地球的軌道運動。
牛頓指出，月球可以由於重力或者其他力的作用，使它偏離直線運動而偏向地球，形成繞轉運動，“如果沒有這樣一種力的作用，月球就不能保持在它的軌道上運行。”但是，迫使月球作軌道運動的向心力與地麵上物體所受的重力到底是否有同一本質呢？在《原理》中，牛頓提出了一個思想實驗，設想有一個小月球很靠近地球，以至於幾乎觸及到地球上最高的山頂，那麼使它保持軌道運動的向心力當然就等於它在山處所受的重力。這時如果小月球突然失去了運動，它就如同山處的物體一樣以相同的速度下落。如果它所受的向心力並不是重力，那麼它就將在這兩種力的作用下以更大的速度下落，這是與我們的經驗不符合的。可見重物的重力和月球的向心力，必然是出於同一個原因。因此使月球保持在它軌道的力就是我們通常為重力的那個力。
進一步深入，牛頓根據惠更斯的向心力公式和開普勒的三個定律推導了平方反比關係。牛頓還反過來證明了，如果物體所受的力指向一點而且遵從平方反比關係，則物體的軌道是圓錐曲線——橢圓，拋物線或雙曲線，這就推廣了開普勒的結論。在原理中牛頓同磁力作用相類比，得出這些指向物體的力應與這些物體的性質和量有關，從而把質量引進了萬有引力定律。
牛頓把他在月球方麵得到的結果推廣到行星的運動上去，並進一步得出所有物體之間萬有引力都在起作用的結論。這個引力同相互吸引的物體質量成正比，同它們之間的距離的平方成正比。牛頓根據這個定律建立了天體力學的嚴密的數學理論，從而把天體的運動納入到根據地麵上的實驗得出的力學原理之中，這是人類認識史上的一個重大的飛躍。