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牛顿是17世纪光学的集大成者，牛顿最早出名就是因为其光学成就，他的主要成就是提出光的颜色理论，制造了反射式望远镜，发现了牛顿环现象，研究了光的衍射和双折射现象，并在上述光学研究的基础上提出光微粒学说，在时间上主要是从1667—1678年十年的光阴，研究过程是一首光与颜色的交响曲。
牛顿在光学上成就斐然，他的光学色散实验成功解释了虹的成因。此外，他还设计制作了反射式望远镜，发现了牛顿环现象并成功进行了解释。
1664—1667年这三年期间，牛顿以其聪明才智和坚忍的毅力，同时在光学、数学、力学等领域获得突破性进展，特别是在伦敦发生鼠疫时，牛顿在家乡的18个月，是其一生中创造力最旺盛的时期。
（1）色散实验
1666年牛顿对白光进行色散研究。他将房间做成暗室，在窗帘上开了一个小孔，让适量的阳光进入，在光的入口处放上三棱镜，使光照到对面的墙上。如图2-1， ABCB ′表示一个三棱镜，窗户 SHT 上开有一个光孔 H ，光束由此射入暗室，光量可调。光束穿过棱镜 ABCB ′，折射后在墙壁上显示为不同颜色的光带 MN ，并且成像整体长度为宽度的五倍。换用不同的棱镜、太阳光轮的不同部分入射光线，仍然得出相同的结论。
图2-1 牛顿白光的色散实验
根据公认的折射定律，光斑预期应该是圆形的。但将色谱的长度与宽度作比较，发现长度比宽度大五倍。如此不成比例，激发了牛顿探索产生这种现象的可能原因的好奇心，牛顿认为其成因第一是外部折射条件不同，第二是入射光自身的差异。
（2）色散实验的初步解释——初步的粒子观点
在排除了外部折射条件这一因素后，只能是入射光自身的差异这一原因。牛顿怀疑光线穿过棱镜后，也许沿曲线传播，由此造成不同光线的不同曲度，从而在墙壁上形成各色光带。
牛顿联想到古典网球运动，网球受到球拍斜向打击后会沿曲线弹出。比拟运动场上的“旋转球”，牛顿提出“如果光线是由球形物体，并且当它们从一种介质斜穿过另一介质时获得了弧形运动，那么它就应该在运动加强的那一侧受到来自四周‘以太’的更大的阻力，由是继续向另一侧弯曲”
。
但是，牛顿并没有观察到任何光线弯曲，反而发现光带 MN 的长度与光孔径 H 之差与彼此距离 HM 成一定比率，由于这种比例关系，不可能存在光线弯曲的情况。
（3）判决性实验
牛顿为了弄清这些色光是否可以被分散以及谱带变长的原因，设计了判决性实验。把各挖一个小孔的两块不透明的板放在两个三棱镜之间，光从光源 S 射入，照在第一个棱镜 ABC 上，呈现如图2-2所示的光路。转动第一个棱镜 ABC ，使落在第二块板上的像上下移动，让光线的所有颜色都能相继单独通过该板上的小孔，并射到它后面的棱镜 abc 上，再观察光线落在屏幕上的位置。牛顿发现：在第一个棱镜 ABC 上被折射最厉害的蓝光，在第二个棱镜 abc 上也受到最大折射，红光在这两个棱镜上折射最少。
牛顿由此得出结论：光斑不是圆形的原因在于太阳光是由折射能力不同的光组成的。
图2-2 牛顿判决性实验
由于透镜和三棱镜的相似性，经过透镜的光线也会出现色散现象，不同的色光具有不同的折射度，紫光成像更靠近透镜，而红光成像则稍远。如图2-3所示， L 为一凸透镜， SL 为平行日光束，通过凸透镜 L 后，紫色光折射角度最大，聚焦成像于点 V ；黄色光聚焦成像于点 Y ，红色光折射角度最小，聚焦成像于 R ，形成红色光斑。
图2-3 凸透镜光的色散与色光合成原理
由此可见，如果将 L 作为望远镜的物镜， M 为目镜，太阳光源经物镜成像，再经目镜放大，进入观察者的眼睛 E 。然而，如果物镜成像位于点 R 与 V 之间，目镜成像会变得模糊。如果调节距离，将目镜入射光源对准黄色点 Y （见图2-3），目镜后观察者眼睛 E 看到的红色成像和紫色成像会不清晰。此时，除了黄色成像，其他色光成像都会变虚，看上去很不清楚。
当时牛顿一方面认为透镜的色差不可能消除，另一方面想到，如果提高折射望远镜的放大倍数，就要把它造得很大，那样操作就会很不方便。于是他另辟蹊径，转向反射望远镜的研究，决心根据光的反射原理制造出新的望远镜。
1668年，牛顿恢复了研究工作，设计出一种磨制金属镜面的精巧方法，“能打磨光学器件到极致”，使反射光量不小于透镜的透光量，进而制作出了一架反射望远镜。1671年牛顿给英国皇家学会送去一台反射式天文望远镜（如图2-4），望远镜的抛物面镜使天体在管中的一点成像，但在这点之前的另一点处放一反射小镜，将物像反射到管外以便于观察者观察，这样就可以看到天体的像。直到现在这台反射式天文望远镜还是英国皇家学会最为珍贵的藏品之一。牛顿制造的望远镜给他带来了荣誉，1672年1月11日，牛顿成为英国皇家学会会员。
图2-4 牛顿为英国皇家学会制造的望远镜
1672年2月6日，牛顿把他题为《关于光和颜色新理论》的论文寄给英国皇家学会，2月19日全文发表在英国皇家学会《哲学学报》第80期上，这是牛顿正式发表的第一篇论文。牛顿在论文开篇介绍了1666年用三棱镜将白光分解的著名实验，在论文最后设置了判决性实验，并提出了颜色理论。
牛顿通过一系列的命题来阐述颜色理论
：
（1）由于光线的折射性在程度上不同，它们呈现出这种或那种特殊颜色的倾向上各有差异。色不是自然物折射或反射出来的光的属性，而是因射线的不同而本来就有的内在性质……
（2）同一折射程度总是属于同色，而同色总是属于同一折射程度。折射性最小的射线都倾向于显示红色；反过来倾向于显示红色的射线，其折射性最小……
……
（5）所以，色有两类。一类是固有的原色，另一类是它们的混合。固有色有红、黄、绿、紫和蓝，还有橙黄、深蓝以及为数不多的各种各样的中间色。
（6）原色也可以用混合的方法产生……
……
（8）所以，白色是光的常色，因为光是射线从发光体各部分乱七八糟射出的带有各种颜色的混合体……
牛顿用他的颜色理论成功解释了许多现象，其中对虹的解释最成功。虹一般出现在雨后天晴时，这种情况下天空中飘散着无数细小的水珠，像无数的透镜，把太阳光分散为各单色的光，然后按照不同的折射率，以天空为背景，按照顺序排列形成美丽的彩虹。
牛顿发表的第一篇论文具有很大的创新性，英国皇家学会为此组织了一个委员会审查这篇论文，以确定它的价值。大多数委员都认为这是一项重要发现，但是也有人批评，首先批评牛顿的是胡克、惠更斯，并由此引发了一场争论。
牛顿在论文中用不同颜色微粒的混合与分开去解释色散现象，并在论文中用颜色理论解释了胡克的实验。粒子说遭到胡克的批评，胡克认为光是一种波。
罗伯特·胡克比牛顿年长7岁，是英国皇家学会98名创始会员之一。他在力学、光学、天文学、生物学等多方面都有重大成就，比如，提出著名的“胡克定律”，第一个提出“细胞”的概念；他所发明和设计的科学仪器在当时是无与伦比的，如真空泵、钟表、显微镜、望远镜。胡克当时是英国皇家学会的干事，在科学界具有很大的影响力。
胡克在1672年2月15日给英国皇家学会秘书奥尔登伯格的信中批评了牛顿第一篇光学论文中的观点。胡克认为牛顿的观察“如此新奇和完美”，认可牛顿的观测事实。胡克认为牛顿的微粒假说“是许多可能而非唯一的假说”。从牛顿的实验，可以证明光是一种脉冲，或者是在均匀、一致和透明的介质中传播的一种运动。所谓的判决性实验没有所谓的说服力。
新锐的牛顿显然很在乎这次与胡克的冲突。经过几个月的周详思考，他写出了一篇反击的长文。他在信中说：“胡克先生认为他只是非难我搁置了那些可改进光学理论的见解，也就是折射，但是他清楚了解一个人不应为别人的研究立下范围，尤其是尚不知道别人的研究以何为基础时。假若他私下写信给我要求为此说明，我当会告知我在那方面已有多次的成功实验……”
他反驳了胡克认为他的论文中存在假说：“我并没有说绝对的肯定，我以‘或许’这两个字来表示，最多只是暗示出它导出这原理的极佳结论，而并非以它为基本原理。”牛顿全面反驳着胡克的每一点批评质疑，在文章中不断提到胡克的名字。后世有人甚至夸张地形容牛顿此文“实际上用胡克的名字串起了一首叠句诗”。
在英国皇家学会，这篇文章被当着胡克的面宣读。英国皇家学会在最后正式要求胡克将牛顿原来的论文重新做一次完整的评估，甚至要求把牛顿论文里表述的实验再做一次。胡克是英国皇家学会的实验主任，做此实验是应尽之责，可在这样一种状态下做这样的实验，其内心的情绪可想而知。
为了证明自己的光学理论，1675年12月，牛顿又向英国皇家学会提交了两篇光学论文：《解释光的性质的假说》和《论观测》，他与胡克的争端再次开启。胡克说牛顿从《显微制图》中获得了灵感，提出的理论却是错误的。
胡克与牛顿之间结下的矛盾是很难化解了。胡克后来绕过英国皇家学会的秘书，直接与牛顿通信。这样就避免了公开争论带来的种种情绪，在绅士风度下运用彼此可以接受的礼貌言辞，虽然从其中的含义去分析，双方的态度仍是厌恶和不信任。
1676 年 1月，胡克在一封致牛顿的信中说：“我以公正的态度评估你那精彩的论文，十分高兴看到文中将我很久以前就提出却没有时间完成的观念改良和推广了。我确认你在这方面所下的功夫比我深得多，也确信无法找到比你更适合、更能干的人才来研究这些题材。你把我尚不成熟的工作在各方面都做到完善、有条有理、极具改革精神。如果我从事的职务允许的话，这都是我想自己完成的事，尽管我很清楚这只需要具有比你稍微低一些的才能就可以完成的。”
在回函里，牛顿说：“在哲学方面，我最希望避免的莫过于争辩；而各种争辩中，我最希望避免的莫过于用白纸黑字的方式公开。”有论者认为这话说得有些虚假，但对于牛顿这样珍惜时间的人来说，未尝不是发自深心。在这封信里，牛顿还写有为后人广泛引用的一段话：“笛卡尔（的光学研究）迈出了很好的一步。你在一些方面又增添了许多，特别是对薄板颜色进行了哲学考虑。如果我看得更远一点的话，是因为我站在巨人的肩膀上。”后面这句话被认为是牛顿的谦虚，后来还被许多人当成座右铭。
强劲对手胡克的反对声音刚平息，牛顿又得开始应对新的反对者克里斯蒂安·惠更斯，荷兰著名数学家和自然哲学家。惠更斯认为白光可由黄光和蓝光组成。在回应中，牛顿指出，白光并非只含黄、蓝两种色光，而是光谱中所有色光合成的产物。对被迫再次进行辩解，牛顿竭力按捺强烈的愤懑情绪。出于对惠更斯的尊敬，牛顿还是结合新的研究结果，耐心地向他解释了自己的观点。在回信中，惠更斯感受到了牛顿的温和与谦逊。他在给亨利·奥尔登堡的回信中说：“艾萨克·牛顿坚持自己的观点，值得关注。”牛顿评论道：“克里斯蒂安·惠更斯先生对我的观点表示质疑，重新提出了我先前已充分回答过的问题，对此我确实有些许的不快。”
牛顿环现象是牛顿光学研究中的又一精彩发现。它同光的薄膜实验一起，成为牛顿研究光的干涉现象和提出“突发理论”的根据，在光学史上有着重要意义。
1675年12月9日，牛顿向英国皇家学会提交了一篇题为《关于光和色的研究》的论文，初步探讨了薄膜色彩现象和自然界物体颜色之间的关系。将一个曲度半径为五十英尺的双面凸透镜放置在另一个单面凸透镜的平面上，这样两个透镜间的空气厚度从中心开始到边缘缓慢渐次增大，在光线照射下，透镜间不同厚度的空气层色以透镜中央接触点为圆心，呈现出不同色彩的同心圆环。如图2-5所示， CED 为双凸透镜的凸面， AEB 为平凸透镜的平面，两个凸透镜叠放在一起，接触点为 E ，单色红光自上而下斜射向透镜。在接触点 E ，透镜之间空气膜厚度非常薄，光线 RE 全部投射过透镜，没有任何反射，人眼观察 E 为一个暗点。在点 a ，透镜之间空气膜厚度稍微增加，红光 ra 经反射成为 aa ' ，因为围绕接触点 E 的统一圆周的空气厚度相等，所以经过点 a 的圆周上形成了一圈红色。随着透镜之间空气膜逐渐变厚，形成一系列红色和暗色相间的圆环，宽度依次变窄。
图2-5 牛顿环示意图
分别用橙、黄、绿、蓝、青、紫光重复以上实验，也观察到明暗相间的圆环，红光形成的光环直径最大，紫光形成的最小。用白光重复实验，则观察到七彩色色散现象。
大约1674年，牛顿在《论空气和“以太”》一文手稿中，提出“以太”是由空气粒子碰撞并逐次破碎之后产生的极其细微的小粒子构成的，它弥漫于空间和万物空隙之中，而成为空气精，或称“以太”。
1675年12月，牛顿向英国皇家学会提交了光学论文《解释光的性质的假说》。牛顿在这篇论文中讨论了光的各种假说之后，提出了自己的假说：
我认为光既非“以太”也不是它的振动，而是从发光物体传播出来的某种与此不同的东西。如果人们愿意这样做……可以设想光是一群难以想象的细微而运动迅速的大小不同的粒子，这些粒子从远处发光体那里一个接着一个地发射出来，但是在它们相继两个之间我们却感觉不到有什么时间间隔，它们为一个运动本原所不断推向前进，开始时这种本原把它们加速，直到后来“以太”媒质的阻力和这本原的力量一样大小为止。这很像物体在水中降落，先是加速，直到后来水的阻力等于重力为止。
牛顿认为光是一种物质，一种极其细小的微粒，是由发光体连续不断地以极快的速度向外发射造成的。这种微粒的传播离不开“以太”。
牛顿坚持微粒说成立的理由，是波动说不能很好地解释光的直线传播现象，但微粒说恰恰可以很好地解释这一现象。
当光源发射出的微粒以极快的速度连续向外发射，经过均一、稳定的“以太”时，由于惯性，这些粒子仍然保持匀速前进，保持直线传播，可以很好地解释光的直线传播规律。
牛顿用微粒说解释光照发热现象令人信服。他认为，由于光是由发光体连续不断发射出来的微粒子，光照在某一物体上，实际上是微粒不断地在射击这一物体，这样就会“激动”这一物体的相应部分，使它们发起热来。
颜色现象的解释是因为光的微粒大小不同，因而曲折程度也不相同，其中最小的微粒是紫色的光，它在其直线的路程中容易为折射面所偏转，屈折的程度最大。其余的光的微粒越来越大，则有越来越明亮的颜色，而且越来越难以使之偏转，其折射程度渐次减小，这就是蓝、绿、黄、橙等颜色，最大的微粒和具有最小折射率的光是红色。所以当组合光被棱镜分解时，它们总按照这样的次序散开。
对折射现象的解释，微粒说认为，光密介质中的光速大于光疏介质中的光速，假如光从空气中进入水中，光速会变快。
在解释薄膜颜色和牛顿环现象时，牛顿提出了著名的“猝发”理论。设想：光微粒在媒质界面处所激起的“以太”的振动会在媒质中传播开，而且是快于光速的，因而可以追上光线。这种追得上光线的“以太”振动的作用使得光微粒时而被加速时而被减速，从而使它一会儿容易透射，一会儿容易被反射。