牛頓的父親是個一事無成的人，37歲時，在牛頓出生前幾周去世。他的母親是一個普普通通的農婦，和她的鄰居沒有什麼兩樣。遺傳學家們後來曾試圖從牛頓的前三代人身上尋找他的天資的源泉，但都沒有成功。
實際上，牛頓的天資是逐漸形成的。他在學校裏常常是班上最差或近乎最差的學生——這種情況一直到他和一個大個兒男孩子打了一架之後才告結束。那個男孩子在學業上比他好，牛頓下決心要壓倒他、戰勝他。他的一個舅舅看到他越來越勤奮學習，就建議讓他接受高等教育，結果，18歲的牛頓考進了劍橋大學的三一學院。
當牛頓站在這座著名學府美麗壯觀的大門口時，就激動地立下誓言，要把畢生精力貢獻給科學事業。在著名數學家巴羅教授的精心指導下，牛頓刻苦攻讀數學、物理學、天文學等課程，接受了哥白尼、開普勒、伽利略、笛卡爾的自然科學理論和研究方法，從而為他的科學發明奠定了紮實的理論基礎。1665年畢業後，由於恩師的舉薦，牛頓被留在大學研究室。這年6月，一場瘟疫席卷英國，劍橋大學被迫放假，把教師和學生全都打發回家，這其中包括剛剛獲得學士學位的牛頓。在林肯郡避瘟疫的一年裏，牛頓開始了他最偉大的曆程。
17世紀時，科學尚處於幼年階段。關於物體怎樣運動，為什麼這樣運動，並沒有正確的力學理論或概念。科學家幾乎不了解光以及它的運動，而像化學和醫學這樣的學科更多是建立在巫術而非科學的基礎上。因此，沒有人真正了解為什麼行星和月球沿著它們的軌道運行，這一切在1666年夏末的一個傍晚發生了變化。當牛頓夾著一本書走進母親家的花園裏，坐在一棵樹下開始思考時，曆史上一隻最著名的蘋果落了下來，正巧打在這位23歲的年輕人頭上，正是受這隻蘋果的啟發，牛頓找到了解開這些不可思議的謎題的鑰匙——萬有引力理論。
也許牛頓應該感謝在家鄉避瘟疫的這段日子，他一生中的幾項主要貢獻：萬有引力定律、經典力學、微積分和光學等基本都萌發於1665年至1666年間，曆史學家將這充滿新發現的一年稱為“神奇年”。
1667年，牛頓重返劍橋大學三一學院，在巴羅教授的指導下繼續從事數學研究，次年獲碩士學位。1669年，26歲的牛頓接替其恩師出任盧卡斯教學講座教授。此後十年，他的主要研究工作轉向光學方麵，提出了微粒說，奠定了幾何光學的主要基礎。與此同時，他又潛心研究化學家波義耳的著作，建立了一種新的物質理論。
1671年，已是英國劍橋大學三一學院數學教授的牛頓，在自已的光學分析理論基礎上研製出了他的反射望遠鏡。而在此之前，全歐洲的天文學家都在用伽利略的折射望遠鏡來研究月球和太陽係中的其他行星。後來的事實證明，牛頓的望遠鏡不但與伽利略的完全不同，而且效果更好。牛頓用它給查理二世表演，然後把這架望遠鏡獻給了倫敦的皇家學會。一年後，該學會推選牛頓為其正式會員。
人會後不久，牛頓發表了他的第一篇論文《關於光和色的新理論》。在這篇論文中，他不僅總結了在光學方麵所進行過的實驗結果，更為重要的是提出了光的“微粒說”。而當時的英國皇家學會會長胡克則主張“波動說”，胡克認為自己是光學上的權威，他不同意牛頓的理論，堅持自己的觀點，甚至於不能接受牛頓所提出的東西，並不惜終生與之不共戴天。顯然，這位天才引起了同行的妒忌。
1682年，牛頓在計算月球繞地球運動的周期時，用萬有引力將地球上日常可見的重力和天體運動的引力統一起來，糾正了自亞裏士多德以來在這個問題上的錯誤觀念。兩年後，他又與雷恩、哈雷和胡克研討行星運動的軌道問題，取得重大突破。在此基礎上，牛頓於1687年出版了《自然哲學的數學原理》一書。這部劃時代的巨著闡述了物體運動的三大定律，論證了萬有引力的存在以及天體運動的規律，從而創立了經典力學體係。此書的問世在社會上引起了轟動，牛頓名聲大震，1689年被選為英國國會議員，1703年當選英國皇家學會會長。1704年，牛頓又出版了他的《光學》，詳細介紹了他所做的有關光的研究，包括以“牛頓環”而稱著於世的光的幹涉現象，及光的微粒說等。這是又一次漂亮的反擊，而這次他的宿敵——一年前已經去世的胡克已經無法再破壞人們對牛頓的讚揚了，世人再次目睹了這位偉人的天賦。