从1670年到1672年,牛顿负责讲授光学.在此期间,他研究了光的折射,表明棱镜可以将白光发散为彩色光谱,而透镜和第二个棱镜可以将彩色光谱重组为白光.
他还通过分离出单色的光束,并将其照射到不同的物体上的实验,发现了色光不会改变自身的性质.牛顿还注意到,无论是反射、散射或发射,色光都会保持同样的颜色.因此,我们观察到的颜色是物体与特定有色光相合的结果,而不是物体产生颜色的结果. 从这项工作中,他得出了如下结论：任何折光式望远镜都会受到光散射成不同颜色的影响,并因此发明了反射式望远镜（现称作牛顿望远镜）来回避这个问题.他自己打磨镜片,使用牛顿环来检验镜片的光学品质,制造出了优于折光式望远镜的仪器,而这都主要归功于其大直径的镜片.1671年,他在皇家学会上展示了自己的反射式望远镜.皇家学会的兴趣鼓励了牛顿发表他关于色彩的笔记,这在后来扩大为《光学》（Opticks）一书.但当罗伯特·胡克批评了牛顿的某些观点后,牛顿对其很不满并退出了辩论会.两人自此以后成为了敌人,这一直持续到胡克去世.