W swoim słynnym dziele Philosophiae Naturalis Principia Mathematica  (1687r.) przedstawił prawo powszechnego ciążenia, a także prawa ruchu leżące u podstaw mechaniki klasycznej. Niezależnie od Gottfrieda Leibniza przyczynił się do rozwoju rachunku różniczkowego i całkowego.

Jako pierwszy wykazał, że te same prawa rządzą ruchem ciał na Ziemi jak i ruchem ciał niebieskich. Jego dociekania doprowadziły do rewolucji naukowej i przyjęcia teorii heliocentryzmu. Podał matematyczne uzasadnienie dla praw Keplera i rozszerzył je udowadniając, że orbity (w większości komety) są nie tylko eliptyczne, ale mogą być też hiperboliczne i paraboliczne. Głosił, że światło ma naturę korpuskularną, czyli że składa się z cząstek. Był pierwszym, który zdał sobie sprawę, że widmo barw obserwowane podczas padania białego światła na pryzmat jest cechą padającego światła, a nie pryzmatu, jak głosił 400 lat wcześniej Roger Bacon. Rozwinął prawo stygnięcia. Sformułował twierdzenie o dwumianie i zasady zachowania pędu oraz momentu pędu. Zajmował się też pomiarami prędkości dźwięku w powietrzu i ogłosił teorię pochodzenia gwiazd. Był twórcą rachunku wariacyjnego. Jako pierwszy opisał matematycznie zjawisko pływów morskich (1687).