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牛顿在整个科学史特别是17世纪科学史上的地位是举世公认的。牛顿的功绩是不朽的，它代表了人类智慧的最高成就；而且它同时也对17世纪科学的主要流派进行了汇总，解决了当时科学革命中悬而未决的一些重要问题。在解决问题的同时，牛顿的研究成果决不意味着科学探索应该到此结束或中断。正如所有其他天才人物的创作一样，他的著述在解决了一个旧的问题的同时也就提出了两个新问题。如果说他的研究成果是对17世纪的科学革命的总结，它同时也开创了18世纪的物理科学。牛顿对自然的机械论哲学作了根本上的修改，并同予其更为深刻的内涵，从而为此后两百多年间西方世界的科学思想提供了总体框架。
牛顿在力学方面的兴趣来源于他在自然哲学上最早的研究。他大学时代的笔记中有一个标题叫“剧烈的运动”，他以此为题写了一篇关于抛射体的短文，其中包括对惯性原理的探讨。笛卡尔对牛顿有着重要影响，牛顿曾读过他的《哲学原理》，其中牛顿在所总结的一套命题中提出了机械论自然哲学。牛顿探讨了碰撞问题，他得到了惠更斯曾经得出的结论——在碰撞中两个孤立物体的重心保持静止状态或作匀速直线运动。后来，牛顿在惠更斯的理论上又进了一步，他给碰撞中的物体加上了转动运动，并得出了角动量守恒原理。在17世纪60年代，对牛顿而言，运动定律就意味着碰撞定律。
在盛行的机械论哲学中，力是一个物体对另一物体的压力。笛卡尔企图把运动中的微粒看作动因，提出所谓“运动物体的力”。而牛顿则从一个抽象量来思考这个问题，这一抽象量可以测量正在运动中的物体的运动变化。碰撞是他后来打算承认的力的唯一来源，因此，他所使用的力与笛卡尔“运动物体的力”在本体论上并没有什么区别。作为产生运动变化的力的概念，是牛顿对动力学贡献的中心所在。
在早期的另一篇论文中，牛顿处理了圆周运动问题。从笛卡尔的观点中获得启示，他抓住了圆周运动的基本物理因素——物体为了遵循圆周轨迹，而必须持续地使它脱离固有的直线运动的路径。和其他早期圆周运动的研究者一样，他看到了迫使物体作圆周运动的倾向——惠更斯的离心力。像惠更斯一样，他也探寻定量测量，用力的概念来测量在碰撞中产生的整个运动的变化这一难题。为了能在圆周运动中使用这一概念，他设想当运动中的物体围绕圆周发生偏转时，撞击无数相同的物体，而所有传递到其他物体的运动被转移并集中到其中一个物体上。这样，牛顿得出了在一次旋转中通过一个物 体产生的合力的概念（等同于在其他物体上产生的总运动），这一观点近似于一个物体比如说在一分钟内下落时总的重力，也近似于一次碰撞的力。通过对方形路径出发和与无限多边形近似的圆周运动的几何分析，牛顿证明了在一次旋转中的合力与物体运动的力（我们的术语是动量）之比相当于圆周的周长与半径之比。如果我们用合力除一次绕转所需要的时间，我们就可以从牛顿的结论中推导出离心力的公式。
在17世纪60年代的另一篇论文中，牛顿使用这个公式把月球的离心趋向与地球表面的重力加速度作了比较，并把行星的离心趋向互相作了比较。后一个问题纯粹是用他的离心力公式替换开普勒第三定律，假定行星作理想圆周运动，他发现后移的趋向与轨道半径的平方成比例地递减。这篇论文大致表明了万有引力定律赖以存在的基本定量关系。然而，有两点必须加以强调。万有引力定律要求测量的重力加速度和月球加速度必须精确相关联。牛顿只是发现一个近似数据。同时，相关系数是不精确的。第二，论文没有使用点引力的概念。仍旧局限于传统的机械论哲学思维框架，他没有指出万有引力，而只是指出后移的倾向。
自行星的正圆轨道被打破后，天文学家开始关注这样的问题：行星为什么总是绕太阳作封闭曲线运动，而不作直线运动离开太阳呢？伽利略认识到力只是改变运动的原因而不是保持运动的原因，但他只把这一点限制在地面，对天体他还是相信正圆的老观念。现在开普勒破除了正圆教条，人们开始思考支配天体运动的力的问题了。1684年1月，胡克向当时的皇家学会主席雷恩和天文学家哈雷声称，自己已经发现了天体在与距离平方反比的作用下的轨道运行规律，但他给不出数学证明，雷恩因而决定悬赏征解。哈雷是牛顿的好朋友，8月他专程去剑桥拜访了牛顿，并告诉他自己一直在思索轨道问题但始终没有结果。哈雷很直率地问牛顿，一个物体能过与距离平方成反比的力吸引另一物体，那么另一物体遵循什么样的运行轨迹？令他吃惊的是，牛顿肯定地回答说是椭圆，并说他几年前就作过计算，并答应将计算重写出来并寄给哈雷。当年11月，牛顿写出了《论运动》手稿寄给哈雷，就行星运动轨道与按距离平方反比的作用力之关系作了透彻的数学证明。
在哈雷的鼓励下，牛顿全力投入写作中，系统总结他关于动力学和引力问题的研究。1685年初，牛顿动用他自己发明的微积分证明，地球吸引外部物体时，恰像全部的质量集中在球心一样。这个困难一旦解决，“宇宙的全部奥秘就展现在他的面前了”。最终，1687年，牛顿的巨著《自然哲学的数学原理》在哈雷个人的资助下印刷出版。
《原理》是一部杰作，它曾被称为人类历史上最伟大的科学著作，即使这种说法有些过誉，但它确实具有无可比拟的重要性。牛顿以前所未有的方式，将运动物体的科学规律以数学的精确语言重新表达出来。牛顿做到了由中世纪晚期物理学家开始，伽利略努力追求但始终未完成的事情，他的三条“运动定律”构成了所有深入研究的基础。牛顿还解决了存在有两千年之久的天文学难题：宇宙空间的行星运动之谜。利用具有令人惊奇的逻辑完备性的数学分析计算，他说明了反比平方定律如何导致了运动的椭圆轨迹，并使行星运动遵循开普勒从第谷的观测中辛勤整理得到的定律。
在牛顿以前，尽管力学已经有了相当大的发展，但在“质量”、“动量”、“惯性”、“力”等基本概念上未存在着极大的模糊和混乱。牛顿则比前人大大清晰地定义了它们。在《原理》的一书的开头，牛顿就开宗明义地给出了一系列力学基本概念的定义。在定义了力学的基本概念以后，便系统地表述了运动的基本原理或定律。牛顿在总结前人成果的基础上提出了他的“运动三大定律”，即著名的牛顿三大定律：“定律Ⅰ：每个物体都要继续保持它的静止状态或等速直线运动状态，除非对它施加外力以迫使它改变这种状态。”这就是牛顿第一定律即惯性定律。这一定律的表述方式一直沿用至今，但这一概念本身直接来源于伽利略和笛卡尔。“定律Ⅱ：运动的变化与外加推动力成正比，并发生在该力的作用线方向上。”牛顿把“运动的量”定义为质量和速度的乘积，因而，牛顿所说的“运动的变化”，用今天较精确的语言来表述就是“动量对时间的变化率”。“定律Ⅲ：对每一个作用力，总存在一个相等的反作用力和它对抗；或者说，两个物体彼此施加的相互作用力总是相等的，并各自指向其对方。”这就是牛顿第三定律，这是在进一步总结了惠更斯等人的碰撞理论的基础上建立起来的。
《原理》的第一部分探讨了把运动定律应用于质点，特别是涉及围绕引力中心沿轨道运行的质点。因此，牛顿创造了“向心力”这一术语，即向中心靠拢的力，有意与惠更斯所提出的“离心力”对照。牛顿证明开普勒的行星运动三定律能从动力学中推出。面积定律在一切情况下都成立，条件是一个运动物体被力吸引偏离了它的惯性路径。当这个引力的大小与距离平方成反比变化时，物体沿圆锥体的一个椭圆轨道运行。此外，在反平方力的情况下，许多绕一个引力中心作轨道运行的物体必然服从开普勒第三定律。《原理》的第二部分讨论了运动物体通过有阻力的流体和流体自身的运动。第一部分建立在伽利略、笛卡尔和惠更斯的早期研究成果之上，同时它达到了更精致的水平。在第二部分中，只能找到一些最粗略的前人研究成果的影响痕迹，因此它构成了数学流体动力学的有力的开端。
牛顿在第三部分主要讨论了动力学在世界系统中的运用。天文学中提出了被卫星围绕的中心物体两个系统——太阳系和带有自身卫星的木星，而这些卫星服从开普勒第三定律。借助于匀速原则的提出，牛顿得出结论：所有反平方力在运算中本质上必定是相同的。牛顿的目的是要证明不仅使若干卫星保持在其轨道上运行的各个相应力在本质上是相同的，而且它们与人们所熟悉的使苹果落在地上的力也是相同的。最终，牛顿证明了由以与距离平方成反比变化的力吸引的微粒组成的一个均匀球体（或由均匀外壳组成的球体），能够通过与它的物质的量（或质量）成正比、与物体距球体中心的平方成反比的力吸引任何外界的物体。也就是说，这样一个球体产生吸引力的时候，它的总质量似乎都集中在它的中心点上。通过这一证明以及月球向心加速度和地球重力加速度的精确相互关联，牛顿有力地提出了万有引力的概念，即宇宙由彼此互相吸引的物质微粒组成，这种吸引力与它们质量的乘积成正比，而与它们之间距离的平方成反比。
从伽利略时代以来一个世纪的物理学工作，在牛顿手里得到了综合。从个人素质上讲，牛顿也许是有史以来最伟大的天才。在数学上，他发明了微积分；在天文学上，他发现了万有引力定律，开辟了天文学的新纪元；在物理学中，他系统总结了三大运动定律，创造了完整的新物理学体系；在光学中，他发现了太阳光的光谱，发明了反射式望远镜。一个人只有享有这里的任何一项成就，就足以名垂千古，而牛顿一个人做出了所有这些工作。1705年牛顿被授予爵士封号。1727年3月20日凌晨，牛顿在睡梦中安然长眠，终年85岁。他的崇高地位使他享受到国葬的待遇，他被安葬在威斯敏斯特教堂，那里是安葬英国英雄们的地方。
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