牛頓二十三歲時，鼠疫流行於倫敦。劍橋大學為預防學生受傳染，通告學生休學回家避疫，學校暫時關閉。牛頓回到故鄉林肯郡鄉下。在鄉下度過的休學日子裡，他從沒間斷過學習和研究。萬有引力、微積分、光的分析等發明的基礎工作，都是這個期間完成的。
那時，鄉下的孩子是常常用投石器打幾個轉轉之後，把石拋得很遠。他們還可以把一桶牛奶用力從頭上轉過，而牛奶不掉下來。
這些事實使他懷疑起來：“什麼力量使投石器裡面的石頭，以及水桶裡的牛奶不掉下來呢？對於這個問題，他曾想到刻卜勒和伽利略的思想。他從浩瀚的宇宙太空，周行不息的行星，廣寒的月球，直至龐大的地球，進而想到這些龐然大物之間力的相互作用。這時，牛頓一頭扎進”引力“的計算和驗證中了。牛頓計劃用這個原理驗證太陽系各行星的行動規律。他首先推求月球距
地球的距離，由於引用的資料資料不正確，計算的結果錯了。因為依理推算月球圍繞地球轉，每分鐘的向心加速度應是十六英尺，但據推算僅得十三點九英尺。在失敗的困境中，牛頓毫不灰心和氣餒，反而以更大的努力進行辛勤地研究。整整經過了七個春秋寒暑，到三十歲時終於把舉世聞名的”萬有引力定律“全面證明出來，奠定了理論天文學、天體力學的基礎。
這時期牛頓還對光學進行了研究，發現了顏色的根源。一次，他在用自制望遠鏡觀察天體時，無論怎樣調整鏡片，視點總是不清楚。他想，這可能與光線的折光有關。接著就實驗起來。他在暗室的窗戶上留一個小圓孔用來透光，在室內窗孔後放一個三稜鏡，在三稜鏡後掛好白屏接受通過三稜鏡折進的光。結果，大出意外，牛頓驚異地看到，白屏上所接受的折光呈橢圓形，兩端現出多彩的顏色來。
對這個奇異的現象，牛頓進行了深入的思考。得知光受折射後，太陽的白光散為紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫七種顏色。因此，白光（陽光）是由紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫七色光線匯合而成。自然界雨後天晴，陽光經過天空中餘圍的雨滴的折射、反射，形成五彩繽紛的虹霓，正是這個道理。
經過進一步研究，牛頓指出世界萬物所以有顏色，並非其自身有顏色。太陽普照萬物，各物體只吸收它所接受的顏色，而將它所不能接受的顏色反射出來。這反射出來的顏色就是人們見到的各種物體的顏色。這一學說準確地道出顏色的根源，世界上自古以來所出現的各種顏色學說都被它所推翻。