从牛顿的背景中，完全无法解释或看出他会成长为一位徜徉于宇宙原理的学者。据形容，他父亲是个“狂野、奢侈、软弱的人”，他在牛顿出生前就去世了。牛顿是个早产儿，童年时很早就和母亲分离。他母亲在他将满两岁时改嫁，后来把他交给她的父母抚养。虽然她住的地方只有几英里远，但她对这位“冷静、沉默、深思的男孩”却一直避而远之，直到她第二任丈夫在九年后去世为止。有些传记作者认为，这段分离经验导致牛顿终生的情感问题——童年时的易怒脾气、对他母亲与继父的愤恨、对评论几近偏执的过度反应，以及两次全面性的精神崩溃。他那因愤嫉所致的狠毒绝情性格，使得雨果笔下冷面无情的贾维探长（《 悲惨世界 》里紧追主角不放的探长）都成了菩萨心肠。

幸而，有人在这阴郁的年轻人身上看到了别的东西——这些人包括他学校的老师史托克（John Stokes）和他的舅舅艾斯克夫（William Ayscough）。他们说服他母亲放弃使他成为农夫的努力，让他回学校就读。艾斯克夫毕业于剑桥的三一学院，他也设法使牛顿进了他的母校。这时牛顿18岁，比班上同学整整大了两岁，也比别人严肃得多。

表面上，牛顿吸收了当时学校所教的许多古典著作与思想观念，有着长足的进步。虽然哥白尼、开普勒、伽利略和笛卡尔在此之前的150年间都曾有开创性的发现，但三一学院却仍在教授亚里士多德的定性物理和欧几里得的几何学。他的数学教授巴罗（Isaac Barrow）一开始只把他当作一名冷漠的学生，甚至还注意到他尚未彻底精通欧几里得几何学。但巴罗和其他人都不知道的是，牛顿早已精通最新的科学发展，并开始超越他们，向未经探索的知性领域推进了。但是年轻的牛顿却将自己的发现紧锁在笔记本里秘而不宣，且终生如此。他写在第一本笔记本上的座右铭似乎再恰当不过：“真理是我最好的朋友。”

1664年，瘟疫蔓延到了英国；1665年秋天，剑桥关门大吉。接下来两年间，牛顿都留在家乡乌尔索普的小村庄中。在这短暂的隐居期间，牛顿获得了极深刻的发现，学者因而称之为“神奇的年代”。在早期，他发展出二项式定理，一种以无限项级数总和来计算代数算式的方法。几个月后，他发现了自己的“正切方式”，这是迈向微积分的关键步骤。在当时，微积分是一种新数学，它使数学家首度能够处理持续改变的量。六个月后，牛顿发展出“处理流数（fluxion）的直接方式”，如今我们称之为微分学。

牛顿对于光与颜色也很感兴趣。在一连串精彩的棱镜实验中，他首度证明白光是由许多不同颜色的光束混合而成的。接着便是引力。牛顿后来写道：“同年，我开始思考延伸到月球轨道的引力……并且比较使月球维持轨道的力量，以及地表的引力。”

尽管其聪慧毋庸置疑，但这些想法并不是从天外掉进他脑袋里的。牛顿后来“解释”他是如何获得这些洞见的：“我一直不断地进入思考，总是把这些主题摆在我面前，然后静静等待，直到第一线曙光出现，然后一点一点地转为明亮的白日。”他曾告诉早期一位传记作家，其中有一丝曙光发生在他见到一个苹果落地时。这个故事的真假很难断定，但很显然，唯有牛顿的眼光，才能看出苹果的掉落和月球的运转是由同一原理主宰；也唯有他的心智，才能将这点洞察放大成为万有引力定律。

牛顿花了20年时间，才将所有元素罗织成他的终生杰作：《自然哲学的数学原理》（Mathematical Principles of Natural Philosophy）。在他的朋友——天文学家哈雷（Edmond Halley）的坚定敦促下，本书终于在1687年问世。在本书中，牛顿集结了自古希腊以来诸多分散而矛盾的观测及理论，一起放进他的理智之炉中精炼细磨，最后铸成一道完美无瑕的智识炉水。他将炉渣精确地剔除，例如易混淆的磁力和引力、圆周惯性（circular inertia）、伽利略关于潮汐的理论、开普勒关于力的循环理论，以及笛卡尔的漩涡。最后，只留下纯金。