牛頓最初成名主要是靠光學上的偉大成就。他在自然科學上的發明與發現，最早成熟的是關於光學的思想和研究，當他成為盧卡斯講座教授時，第一次授課的題目並不是《論無窮級數分析》，而是光學。
牛頓在上大學期間，已經開始了對光的研究。1672年，牛頓把自己的研究成果發表在《皇家學會哲學雜誌》上，這是他第一次公開發表的論文。
牛頓在發表論文前，曾為此準備了光學講課，曾仔細地作了關於兩個平麵玻璃之間和曲麵玻璃與平麵玻璃之間充以空氣或水的折射實驗。他把曲率半徑很大的凸透鏡放在平板玻璃上，當用白光照射它時，見到透鏡與玻璃板接觸處出現一組彩色同心環，當用單色光照射時，則在接觸點處出現一組明暗相間的同心環，均勻照射卻得到了不均勻的光強分布。這便是光的幹涉中的有名的牛頓環實驗。他在《光學講義》中寫道：
“當凸透鏡與平麵玻璃之間的空氣或水受到壓力時，不僅在尖部屈服於壓力，而且也相繼地在尖部周圍產生幾個輕微的同心圓圈，這種同心圓圈也可能由玻璃狀液體的缺陷產生，因此薄膜變得鬆弛，或許由其他的原因也可產生，然而會小些。”
“它們仍能將光線折射到視網膜上，於是顯示出不同的色環。色環的周期是隨著薄膜厚度產生質的變化，而同一周期內的色環序列因薄膜厚度的增加而由紫向紅依次量變。對於同一周期的同一種彩色光環來說，空氣的最寬，水的次之，玻璃的最窄。”
牛頓認為並不是“玻璃的表麵或任何平滑透明的物體在反射光，光反射的原因是‘以太’在玻璃和空氣或任何相容物體中的差異”。
牛頓隨後又談到了“以太”的脈衝。脈衝包含著他對周期色圈的力學解釋。脈衝並不是光，而是“以太”中的振動，是光粒子打在薄膜的第一層表麵上而引起的，它決定該粒子能否穿透第二層表麵。若可以，則為透射；若不能，則為發射。
牛頓成功地確定了光譜一端紫色與另一端紅色的脈衝比率，這一比率一直是牛頓對固體的顏色進行定量處理的實驗基礎。
牛頓對光的幹涉現象又做了另外一個實驗。牛頓左手拿一根細管子，右手端一個肥皂水盒，當用管子對著肥皂水吹氣時，盆裏就會出現很多泡泡。把肥皂水的泡泡放在陽光下，就會產生美麗的環紋，於是他決定要研究其中的原理。
實驗後，他發現光透過透明的薄膜時，會產生一圈圈往外擴展的五彩環紋，環紋與環紋間是以黑色隔開的。這些環紋還會依光譜的順序排列，至於環紋的大小則因顏色不同而有差異。
經過無數次艱難的實驗，牛頓終於成功地用數學公式表明環色與薄膜厚度的關係，也得到了光的幹涉圖樣。
牛頓在皇家學會宣讀的論文中心論點認為，白色的光是通常的顏色，這是由折射率不同的光線按照一定比例組合而成。根據這一論點，牛頓揭示出顏色的起源，從而得出一些非常重要的結論：
“顏色並非以往所認為的那樣，是從自然物體的折射或反射中所導出的光的性能，而是一種原始的、天生的，並在不同光線中有不同的性質。”
“有些光線傾向於顯示紅色而不顯示其他的顏色，有些傾向於顯示黃色，有些則顯示綠色等。那些顯著的顏色有它們固有的特殊光線，它們中間的各種色調也都有它們固有的特殊光線。”
自1666～1670年，他才完全研究出固體顏色的詳細情況。到1670年，牛頓在光學方麵的創造性工作幾乎接近尾聲。
1675年12月，牛頓的另一篇關於光和顏色理論的新論文在皇家學會的會議上宣讀了。