人类对光学的研究有着久远的历史。在古希腊时期，关于光的本质是波还是微粒的问题便存在争论。毕达哥拉斯认为光是由物体表面放出的粒子组成，视觉不过是粒子流在眼睛里引起的感觉。而亚里士多德提出的理论更大大地影响了后世，演化成后来的波动说。他认为：光不是由物质本身发出来的，而是一种透明的介质产生的性质或作用。到了1637年，笛卡尔发表了《屈光学》，他继承并发展了亚里士多德的理论，提出光是以太（充斥宇宙空间的一种弹性介质）瞬时传递压力形成的，而颜色的产生则是由以太的粒子的旋转速度不同而引起，小球的转速会因为折射而改变。波义耳则在《接触色的实验与思考》中提出颜色是由物体产生的反射光被眼睛修改形成的。
从牛顿存留于世的笔记我们可以看出，前人的理论在一个阶段内对他影响很大，光学是牛顿最早做出巨大发现的领域之一。早在1665～1666年间，在仔细研究了笛卡尔和波义耳的光学著作之后，他利用在家乡躲避鼠疫的时间进行了大量实验，得出了与前人不同的结论。他发现了太阳光谱。
认为白光是由七种颜色的光组成的，光的粒子说和颜色理论的基本想法已经形成。他曾经对奥尔登伯格说过，1666年初，他在家中的墙上开了一个洞，把房间的门窗全部遮起来，让光线通过小洞射进来，用三棱镜将光线投射到墙上进行观察，从而发现了太阳光谱。在经过实验和用原子论观点分析之后，牛顿也提出了自己的颜色理论，指出颜色是由光的折射率不同产生的。在把两个到三个三棱镜排列起来对一束光线进行折射之后，他发现光谱的本身并没有变化，红光还是红光，蓝光还是蓝光，只是这束光经过了两次折射以后，角度发生了变化。进而牛顿提出不同的光线对应着不同的折射光线。
早在1665～1666年间，牛顿便在波义耳、胡克等研究透明薄膜因为光照产生的彩色现象的影响下，开始了自己的研究。首先他观察球面玻璃和平面玻璃靠紧时，彩色光环与球面和平面之间空气厚度的关系。1670年，为了准备光学讲课又仔细地做了关于两个平面玻璃之间和曲面玻璃与平面玻璃之间充以空气或水的折射实验。他把曲率半径很大的凸透镜放在平板玻璃上，当用白光照射它时，见到透镜与玻璃板接触处出现一组彩色同心环，当用单色光照射时，则在接触点处出现一组明暗相间的同心环，均匀照射却得到了不均匀的光强分布。这便是光的干涉中的有名的牛顿环实验。他曾在《光学讲义》中写道：
“凸透镜与平面玻璃之间的空气或水当受到压力时，不仅在尖部屈服于压力，而且也相继地在尖部周围产生几个轻微的同心圆圈，这种同心圆圈也可能由玻璃状液体的缺陷产生，因此薄膜变得松弛，或许由其他的原因也可产生，然而会小些。它们仍能将光线折射到视网膜上，于是显示出不同的色环。色环的周期是随着薄膜厚度产生质的变化，而同一周期内的色环序列（同日光谱的）因薄膜厚度的增加而由紫向红递次量变。对于同一周期的同一种彩色光环来说，空气的最宽，水的次之，玻璃的最窄。”
光的薄膜实验和牛顿环的发现是光学发展史上的一次革命，具有重要意义。牛顿另一个光学上的伟大创举便是新型反射望远镜的发明。
光学发展到近代，光组成理论渐渐形成了两大流派：微粒说和波动说。牛顿是微粒说的提出者，主张光是由快速流动且发光的小微粒组成的，各种颜色光的微粒混合起来才成为了白色。这与主张光是由波组成的波动说观点相左，终于引发了一场旷日持久的争论。因为发明了反射望远镜受到了广泛的好评并被选为英国皇家学会的会员。看到自己的研究成果得到了当时科学界的首肯，牛顿心中很高兴，便想进一步把自己的研究成果展示给学术界。于是在加入皇家学会三个月后即1672年的2月8日，他应邀在皇家学会宣读他的论文《关于光和颜色的理论》，并在19日的《哲学会报》上发表。从而首次将自己在以往的发现公之于众。
论文的中心论点认为白色的光是通常的颜色，这是由折射率不同的光线按照一定比例组合而成。根据这一论点，他揭示出颜色的起源，从而得出一些非常重要的结论：颜色并非以往所认为的那样，是从自然物体的折射或反射中所导出的光的性能，而是一种原始的、天生的，并在不同光线中有不同的性质。有些光线倾向于显示红色而不显示其他的颜色，有些倾向于显示黄色，有些则显示绿色等等。那些显著的颜色有它们固有的特殊光线，它们中间的各种色调也都有它们固有的特殊光线。
后来科学的发展证明了牛顿这些论说的正确性，如颜色的性质。的颜色理论对很多现象做了合理的解释，尤其是对虹的解释非常具有说服力：一般雨后天晴会出现虹，这是因为天空中飘散着无数细小的水珠，它们像无数的透镜一样，把太阳的光分解为各单色的光，然后按照它们不同的折射率，以天空为背景，按照顺序排列，于是就形成美丽的彩虹。由于在这篇论文中牛顿提出的论点都是前人没有认识到的，皇家学会认为在科学上有突破性的重要发现，所以立即组织了一个委员会来审查这篇论文，以确定它的真正价值。虽然很多会员都认为这是一个非常重要的发现，但当时人们对它的重要性意义却还没有足够的认识，即使是那些最有能力理解它的人也是如此。有的人还提出怀疑和反对，由此便引发了一场争论。
第一个提出反对意见的是胡克。他在一篇评论报告中虽然赞同牛顿工作的重要性，但同时也把自己的一些怀疑加了进来。
罗伯特·胡克（1635～1703年）是英国著名的物理学家和天文学家。他比牛顿大七岁，在当时的科学界已经非常有名。胡克是一个知识渊博、心灵手巧、思想敏捷，在理论和实践上都很有作为的人，但他性格乖张、心胸狭隘、骄傲矜持、容易激动，虽然想法很多，对任何事都有极大的兴趣，但却很少彻底地完成一件事。对于别人的成就，只要是他不清楚的就表示怀疑，与他思想符合的就认为他早已发现过了。牛顿在光学方面的出色研究也许是激起了他的嫉妒，因此，在牛顿制成反射望远镜时，他就说他早在1664年就做成了一架只有一英寸长的微型望远镜，可以放在表链上做装饰品，但效果却超过五十英尺长的望远镜，由于忙于其他的工作，后来一直没有继续对它进行改进。他甚至说，很可能是伦敦的磨镜工人盗窃了他的秘密。对于牛顿在理论上的突破，他先是怀疑，后来又说，牛顿的一些基本思想其实是他早已考虑过了的一种“假说”。他还以一种教训人的口气说年轻人要致力于望远镜的制造，而光学理论这些重要的工作则应让给年长的人去研究等等。
当时，胡克是皇家学会的干事，在科学界极为活跃。凭着他的资格和名气对牛顿提出如此严厉的批评，无疑对一个刚出道的年轻人来说是一个沉重的打击。牛顿可能做梦也没有想到会出现这种情况，他的满腔热情立即熄灭了，只好对胡克的反对意见一点一点地进行反驳。开始时，他采取善意的态度，希望通过辩论得到对方的理解，但后来他发现这样做根本是徒劳的。一次，他用讥讽的语气写道：“胡克先生指责我的，是要我放弃用折射的道理来改进光学的思想。他一定知道一个人来规定另一个人的研究和学习是不适宜的，特别是在另一个人对他正在研究的问题的基础有着充分的了解的时候。”
除了胡克之外，牛顿还受到其他人的指责，有一位名叫吕格斯的比利时人声称他也做了同样的色散实验，但颜色的光线只扩散了三点五倍而不是五倍。双方为扩散的倍数争论不休，都坚持认为自己的观点是对的而使争论没有结果。后来证明棱镜玻璃原料不同会造成扩散倍数的不同。
这对于牛顿在理论上做出的结论没有产生丝毫影响。巴黎的克拉尔蒙学院著名的自然科学教授帕底则是误解了牛顿这篇文章的大部分内容而无法看到他的价值，经过和牛顿几次通信后才表示理解。在牛顿的批评者中，还有牛顿后来十分尊重、称他为“德高望重”的荷兰伟大科学家克里斯·惠更斯。对这篇文章，惠更斯的反应也不好，可能一方面是由于误解，另一方面，惠更斯和牛顿在光的本性问题上的看法截然相反。惠更斯是一位声名卓著的光学专家。此外，还有其他一些人提出批评或怀疑。牛顿为了替自己辩护，写了一系列的长信。在这些争论中，对于出于学术观点不同的争论，牛顿倒觉得没有什么，但令人烦恼的是，有些人根本不是出于学术的原因而加入批评牛顿的队伍，而是说些外行话和自己都没有弄清楚的东西，从而把争论搅浑。其中有个叫李纳斯的比利时人就是这样干的。他不学无术，却刊印一些非常荒谬的言论来攻击牛顿。对这样的争论，牛顿是越来越无法忍耐，他由辩护到烦恼、愤怒，最后，对于一切争论都感到害怕和不安。
这位年轻人受到了很大的伤害。他决定不再为这些无谓的争论去浪费自己宝贵的时间和精力，他还有很多事情要做，一些更重要的问题需要他来考虑，他要更深沉下来，平心静气地研究自己的东西。为此，几年间他都不愿和外界来往。只有巴罗教授和他原来读书时的同学威金斯理解他，在他烦恼的时候，他们和他交谈，安慰并鼓励他。牛顿也时常回到伍尔索普的家乡去看望母亲和弟妹，以此忘掉烦恼。就这样不声不响地工作了三年，继续埋头研究光学。1675年12月，他给奥尔登伯格写了一封信，报告了他对光学研究的新成果，提出准备给皇家学会送去另一篇关于光和颜色理论的新论文，对过去的研究工作做一个总结，并对光的性质提出一种假说。不久之后，他就给皇家学会寄去他一篇很长的论文，但是他不让奥尔登伯格在《哲学汇刊》上发表，因为这只是送给皇家学会审查的，后来才在学会的会议上宣读了这篇论文。
由此可见，牛顿的心中一直没有平复第一次争论留给他的创伤，但是，真正的学术讨论也使牛顿对一些问题的认识变得更加深入，尤其是关于光的本性的思想逐渐趋于具体化，并同他的主要批评者胡克的思想发生一定的关系。
