Realizó sus primeros estudios en el Trinity College de Cambridge y se doctoró en la universidad de esta misma ciudad en 1665. Su gran aportación en el campo de las matemáticas fue el esbozo de la teoría del cálculo infinitesimal, que él denominó cálculo de fluxiones, y en el que coincidió con Leibniz. En el campo de la mecánica recopiló en su obra Principios matemáticos de filosofía natural (1687) los hallazgos de Galileo y enunció sus tres famosas leyes del movimiento. De ellas pudo deducir la fuerza gravitatoria entre la Tierra y la Luna, y demostrar que era directamente proporcional al producto de las masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, multiplicando este cociente por una constante llamada constante de gravitación universal. Tuvo además la gran intuición de generalizar esta ley a todos los cuerpos del universo, con lo que esta ecuación se convertía en la ley de gravitación universal.

Realizó, también, importantes descubrimientos en óptica, donde consiguió demostrar que la luz blanca estaba formada por una banda de colores (rojo, naranja, amarillo, verde, azul y violeta), haciendo pasar la luz a través de un prisma. Estos experimentos le llevaron a formular su teoría general sobre la luz que, según él, está formada por corpúsculos y se propaga en línea recta y no por medio de ondas. Posteriormente trabajó en el perfeccionamiento del telescopio.