1703年胡克在長期患病後與世長辭。第二年，牛頓就決定發表他的這部巨著。在序言裏，牛頓寫道：“為了避免對這些論點的無謂爭論，我推遲了這部書的公開發行，如果沒有朋友們的敦促，可能還要推遲一段時間。”
《光學》的全名是《光學或光的反射、折射、彎曲與顏色的論述》，它探討了“迄今為止光學中談論過的一切”。
《光學》詳盡地詮釋了這“光色理論”，除給予色散現象以科學解釋、並對虹霓作出定量分析外，還剖解了視覺（包括色感）的成因和眼睛的作用機製，而且在驗證光分解的同時又用實驗表明光的再合成（彩色光混合成白光）；所有這些，都成為牛頓之後十分完善的顏色理論以及光譜學的主要基石。當然，書中又明確闡述了光的反射定律和折射定律，以及關於全反射、透鏡成像等現象的一係列原理。
《光學》的語言和行文質樸而平實，記錄了牛頓在光學研究上的全部“個人活動”。全書共分為三編。第一編首先列舉“定義”和“公理”，然後討論一般的折射與反射，太陽光譜與反光望遠鏡。從八個定義和八個公理開始，按順序對他關於光和色的主要發現和理論進行了闡述。
第二編研討薄膜的顏色，中心論題是討論被稱為“牛頓圈”的現象，實際上是討論光的幹涉效應。同時還對自然物體的永久顏色以及它們和薄透明板的顏色之間的類似性做了討論，作出了物質的最小的不可能再細分的組成部分一定是透明的，它們的大小可以用光學方法推斷出來。
第三編討論光的衍射、晶體內部折射和一般哲學問題，最後列舉了31個“疑問”。
在全書末尾，牛頓專門論述了自然哲學的兩種研究方法：分析法和綜合法。與《原理》相比，《光學》更偏重於分析；牛頓有時把光學歸於“實驗哲學”。
牛頓指出，對於困難的研究課題，“總是應當先用分析法，然後才用綜合法”。分析的方法“包括做實驗和觀察，用歸納法從中作出普遍的結論”；用分析法論證，“一般總是從結果到原因，從特殊原因到普遍原因，一直論證到普遍的原因為止”。
至於綜合的方法，則“假定原因已經找到，並且把它們立為原理，再用原理去解釋由它們發生的現象，同時證明這些解釋的正確性”。
盡管牛頓聲稱：“在實驗哲學中不應當考慮什麼假說”，但在《光學》一書裏，關於他自己所作的假說（例如微粒說以及附加說明）、並用以解釋種種光學現象的文字比比皆是。
實際上，無論在分析和歸納的過程中，還是在綜合和演繹的過程中，都需要理論思維和數學工具，都必須尋根究底和解析因果；在尋找普遍原因或論證普遍法則和一般定律時，都必須憑借於科學的假說。
牛頓確是這樣做的，但他又強調不把“虛構假說”作為主要依據，反過來卻是竭力謀求證實所作假說的可靠性。
因此他著重探討光的本性、追究引力等吸引作用的起因，其目的在於揭示宇宙的普遍規律與和諧結構，解決一些力學和光學的基本問題。
在1717年的第二版中，他又對他在這裏所說的“原則”加了這樣一段話：“這些原則我不認為帶著什麼神秘性，而是使萬物形成的自然法則，雖然人們還沒有發現真理都是用想象昭示人們。現象是客觀的，隻是引起現象的原因顯得有點神秘。
這些話表明了牛頓寫作這部著作的指導思想和思維方法。牛頓的《光學》一書在科學史上占有非常重要的位置。不僅是由於他論述了“迄今為止光學中談論過的一切”，從理論上進行了概括和總結，還在於他的科學探索精神。
這種探索精神集中體現在《光學》出版第二版時，他在結尾部分加的疑問上。他寫道：“在第三編的末尾我加進了一些問題，我之所以用提問的方式把它說了出來，乃是因為缺乏實驗，我對它尚不感到滿意的緣故。”
這些問題雖然名為疑問，實際上卻是牛頓多年研究的結果，是他深思熟慮但感到仍必須深入探討的一些問題，範圍之廣超過了光學，涉及到自然界諸多的其它現象。
後人認為，疑問是這部著作的特色所在。疑問帶有猜想的性質，對後來的科學研究有很大的啟發。
科學的發展證明，牛頓的這些天才猜想很多都是正確的，或者提供了極為有益的啟發。
盡管有些被證明是不正確的，但是，這是由曆史的局限性造成的，對任何一個偉大人物都是不可避免的。
如果不是這樣，反倒令人感到不可思議了。《光學》出版之後，於1717年、1721年和1730年分別修訂再版。
現今流行的版本是根據牛頓逝世前最後一次修訂的第四版重印的。
愛因斯坦為這個版本寫了前言，對牛頓及其光學成就做了高度的評價：“幸運啊牛頓，幸福啊科學的童年！誰要是用閑暇和寧靜來讀這本書，就會重新生活於偉大的牛頓在他青年時代所經曆的那些奇妙的事件當中。他把實驗家、理論家、工匠和並非最不重要的講解能手兼於一身。他在我們麵前顯得很堅強，有信心，而又孤獨；他的創造樂趣和細致精密都顯現在每一個詞名和每一幅插圖之中。”
《光學》一書不僅是牛頓對於光學諸多建樹的確切記錄，而且也是他所崇尚的科學研究方法的真實反映，更是他那探索大自然的“內心思想活動”所透視出來的“偉人智慧光芒”的可貴斂聚。其文字縱然質樸，閃光點卻十分亮麗；再過多少年，餘輝依然不會泯滅。
《光學》對於後來的科學研究者影響之大超乎人們的想象，而且，它的科學影響不隻局限於光學領域，其它領域的研究也不同程度受到它的啟發和引導。因而，《光學》一書的價值是難以估量的。
理性涉足煉金實驗
煉金術是牛頓自然哲學的重要組成部分。牛頓的煉金術研究從一開始就是以波義耳微粒哲學為理論基礎而展開的。
此前，他已經大量閱讀了波義耳的化學著作與自然哲學著作，對物質理論以及與之密切相關的煉金術擅變發生濃厚興趣，撰寫了一本化學術語詞典，並在隨後相當長的時間裏不斷予以補充，以備自己查用。
波義耳重視考察微粒的空間性質以及作用劑的滲透性，而牛頓則認為物體的內聚性是因為有種種粒子力存在。因此，牛頓在煉金實驗中重視考察作用劑的腐蝕性，加強對酸的研究。
說到煉金術，人們往往將它和魔法和巫術聯係起來，認為那是一種很神秘的接近於宗教的東西，不過那是在中世紀的情況。
進入17世紀，煉金術在某些方麵已經向化學方向轉變，對煉金術的研究漸漸向理性轉變，有很多化學儀器的前身都是煉金儀器。
牛頓在這個時期接觸到了煉金術，並使煉金術得到了進一步的發展。他之所以接觸到煉金術，完全是因為巴羅教授，關於這點還有一段鮮為人知的故事。
有一天，牛頓敬愛的導師和親密的朋友巴羅教授急匆匆來找牛頓。
巴羅一進門就開門見山地問：
“牛頓；你聽說過煉金術嗎？”
牛頓想了想，說：
“知道一點，以前在您的圖書室裏讀過波義耳先生寫的《懷疑的化學》和《形式和質料的起源》，多少對它有些了解。”
巴羅一聽特別興奮，使勁拍著牛頓的肩，說道：
“那太好了，牛頓！你是一個很聰明，很有見解的人，像現在這樣陷在無休無止的爭論中，將不利於你的全麵發展；所以，你應該考慮一下換換腦筋，搞點別的研究，開拓一下思路。”
“開拓思路？怎麼開拓？”
牛頓不解地問。
“我看你就試著研究一下煉金術吧。”
巴羅教授的建議著實讓牛頓大吃一驚；他問道：
“什麼？研究煉金術？可是……”
巴羅堅定地重複了一遍剛才說過的話。
“對！研究煉金術！”
牛頓有點不情願地反問道：
“可是，那會對我有什麼幫助呢？
巴羅笑了笑，語重心長地說：
“你這樣問，就說明你沒有真正讀懂波義耳的書。其實，煉金術是一門很有用的學問，它能幫你找到許多別的方法；這些新方法將大大有助於解決你在自然爭論中所遇到的問題。你明白嗎？”
“哦，原來是這樣！”
這下牛頓可來了精神，他笑著說：
“真有這麼神的話，我可真得試一試。先生您就等著聽我的好消息吧！”
牛頓滿腔的熱情一下子湧了上來，就像葉茨所說的那樣：
“牛頓在物理和數學上自然的奇異探索不能完金滿足他的要求，他將要通過煉金術道路來引入更高的水平了。”
17世紀60年代牛頓就開始讀波義耳的著作，在去倫敦的路上，他還買了本煉金術文集《化學論文集》和兩個爐子、玻璃裝置及化學品，並把位於三一學院大門旁的花園一角的舊房子改成實驗室，開始做起了一個地道的煉金術士。
無論煉金術對牛頓還有其他什麼意義，他總是相信，他讀的論文談的材料物質經曆的變化。他的目的是，透過五花八門的想象，找出這門技藝的所有闡述都能通用的工藝。
這樣的論斷並不是說他所追求的化學可以被當時的科學團體所接受，也不是說20世紀的科學家甚至會願意承認那是化學。然而，牛頓的確領悟到了，構成這門技藝內涵的，是化學工藝，而不是化學工藝術語包裹的神秘經驗。於是，他在閱讀煉金術文獻的同時，在實驗室開始實驗。
牛頓花費了令人不可思議、不可理解的時間和精力去研究煉金術和化學。除了去講課，以及不得不回去睡覺的時候，其餘的所有時間牛頓都不離開實驗室，一日三餐都由仆人送到實驗室來，有時為了節省時此他一天隻吃一頓飯。
在這個煉金室裏，牛頓做了大量的化學實驗，甚至還提出了一係列的化學符號和有關表示符號。他還做了很多的化學手稿和論文。
然而，不幸的事情發生了。1692年1月的一天，牛頓在去教堂禮拜的時候，他的實驗室著火了，等到他趕到時，實驗室變成了一片焦土爛瓦。牛頓流著淚，發瘋似的在裏邊找他的光學手稿和化學手稿以及部分論文。但結果是可想而知的。
痛心的牛頓以後再也沒有寫過化學手稿和有關論文。
據後來研究牛頓的學者統計，牛頓一生中用在化學方麵的時間加起來超過10年。
在現在的化學方程式中，加熱符號都是煉金術中表示火的符號“△”。
化學就是從煉金術演變來的。可見，說煉金術是化學的前身一點也不過分。
其實試圖把化學從煉金術中分離出來的就是牛頓，因為他曾經寫過一本名叫《化學》的書。
牛頓生前也留下了上千萬字的煉金術手稿，有些科學史家認為，牛頓對煉金術的興趣完全是出於抽象的哲學和宗教目的，由於同煉金術沾上了邊兒，這讓牛頓在科學界的聲譽蒙受玷汙。
牛頓作為一個科學家，探索科學是他的愛好。他研究數學，人們稱他數學家，他研究自然哲學，人們稱他物理學家。但為什麼他研究化學有的人就叫他魔法師、煉金術士呢？
其實事實是這樣的，在17世紀，煉金術和化學摻雜在一起，因為這時的化學還沒有從煉金術中脫離出來，一個人要想研究化學而不接觸煉金術是不可能的。
因為沒有人可以找出一本17世紀的沒有煉金術內容化學著作。而牛頓對於化學充滿了求知欲，所以他像研究數學物理那樣去研究化學，而可以供他參考自學的書隻有煉金術著作，所以他不得不選擇煉金術。
如果當時的化學是獨立於煉金術的話，那麼他難道會放著理性的化學不去探索反而去學那些神秘的煉金術？別人不敢說，至少牛頓不會。因為牛頓做事向來一絲不苟，嚴謹是他的作風。
在曆史上，一些最為偉大的科學家不僅相信鉛變金的可能性，而且還認為一些現在被當作超自然學說，如占星術和預言能力的思想是真實的。
就牛頓的煉金術而言，一方麵，與江湖煉金術士關心造金形成對照的是，牛頓最感興趣的則莫過於毀金。在他的工作中，煉金術實驗最終是否成功，不是按照造金的標準而是按照毀金的標準來進行判斷的。
另一方麵，牛頓的煉金實驗本質上是一種精神上的關注。因為牛頓持有非正統的基督教觀點，他是反三位一體論者，認為基督是上帝創造的凡人而不是上帝的化身，所以他也認為超自然思想是真實的。此外，牛頓對一些神學書中的聖經預言也感興趣。
在科學革命時期，自然哲學並沒有統一的範式，幾乎每一位卓越的自然哲學家都有其自身的思想體係，有其自身的自然哲學體係。同樣，當時的煉金術研究也沒有統一的傳統或範式。
如果牛頓在其煉金術著作中持有強烈的宗教觀點，這也許沒什麼令人感到驚訝的。
牛頓涉獵於化學的所有主要分科，包括他在化學技術、冶金術方麵的所有著作及其在煉金術方麵的研究，這些都會對他在其它方麵的興趣提供一種更加平衡的、自認為更加合理的觀念。
一些曆史學家一直不願對牛頓煉金術正眼相看，並對牛頓煉金術一定與其公開闡述過的物質理論存在著內在聯係這種見解嗤之以鼻。
事實上，牛頓是將煉金術用作一塊至關重要的砝碼，以填補古代與當時原子論的種種不足之處。而這些不足之處涉及內聚性與活性，生命與生長以及上帝的支配與庇佑。
而他對煉金術、神學、形而上學以及觀測方麵的探索，促使他逐漸形成了他對於物質的性質以及同物質相關的種種動力的最後結論。
牛頓早期的實驗時以波義耳理論為基礎的，也許還顯出了邁可爾·美爾的影響，旨在從各種金屬中提取汞。他曾用不同方法提取汞，還曾用更高級的煉金術方法做過馬爾斯星塊，即鐵製銻塊的實驗。
牛頓在煉金術中還碰到了另一個與機械哲學水火不相容的概念。機械哲學堅持物質的慣性，因而隻有機械學原理決定其運動。而煉金術認定物質中存在活性成分，它是自然想象的主要作用因素。特別是它認定存在一種活化劑，點金石，這就是煉金術的目標。
牛頓從事煉金術研究，其動機絕不在於煉得黃金，事實上，這種動機與他從事力學、光學、天文學研究的動機並無分別，即了解物質與自然之謎並以此“更好地侍奉上帝”。
因此，應該將牛頓的煉金術手稿性質解釋為牛頓的化學。因為當時尚缺乏適用的化學語言，因而牛頓借用煉金術語言表述其化學思想。
牛頓的出發點是對的，隻有對物質本身的組成和變化規律進行研究，才有可能揭示光和萬有引力的本質。
萬有引力產生的原因到今天也沒有解決，在牛頓時代更不可能解決上述問題。
雖然牛頓在長期開展煉金術研究中一無所獲，但牛頓鑽研科學問題的精神值得學習。
我們不難相信，牛頓憑他的驚人的精力和卓越的才華，完全可能因為一部《化學》而濟身於科學史上著名的化學家的行列。
被選為國會新議員
牛頓的《原理》出版後不久，哈雷發現這位巨人已是筋疲力盡了，因此勸他暫時脫離科研工作，靜心休養一段時間。經過多次督促，牛頓終於接受了朋友的勸告，準備休養一段時間。