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从12岁左右到17岁,牛顿都在国王中学学习,在该校图书馆的窗台上还可以看见他当年的签名。他曾从学校退学,并在1659年10月回到埃尔斯索普,因为他再度守寡的母亲想让牛顿当一名农夫。牛顿虽然顺从了母亲的意思,但据牛顿的同侪后来的叙述,耕作工作让牛顿相当不快乐。所幸国王中学的校长亨利·斯托克斯说服了牛顿的母亲,牛顿又被送回了学校以完成他的学业。他在18岁时完成了中学的学业,并得到了一份完美的毕业报告。牛顿的学业成绩如此优秀,部分原因是为了挑战和报复一个学校恶霸。剑桥心理学家西蒙·拜昂-柯恩认为,牛顿很可能患有亚斯伯格症候群。
1661年6月,他进入了剑桥大学的三一学院。在那时,该学院的教学基于亚里士多德的学说,但牛顿更喜欢阅读一些勒奈·笛卡儿等现代哲学家以及伽利略·伽利莱、尼古拉·哥白尼和约翰内斯·开普勒等天文学家更先进的思想。1665年,他发现了广义二项式定理,并开始发展一套新的数学理论,也就是后来为世人所熟知的微积分学。在1665年,牛顿获得了学位,而大学为了预防伦敦大瘟疫而关闭了。在此后两年里,牛顿在家中继续研究微积分学、光学和万有引力定律。
1667年,牛顿获得奖学金,作为研究生重返剑桥大学三一学院。按照规定,只有被正式任命的牧师才有资格成为剑桥大学三一学院的研究生,由于持有非正统的宗教观点,牛顿不愿意成为牧师。但牧师职位的任命没有最后期限,因此牛顿先获得了研究生的名额,而牧师职位的任命被无限期地延后了。但是等后来牛顿被任命为卢卡斯数学教授席位时问题就来了,如此重要的职位不可能回避牧师职位任命这一条件。然而,牛顿获得了查理二世的许可,还是绕开了这一限制。
多数现代历史学家都相信,牛顿与莱布尼茨分别独立发明了微积分学。根据牛顿周围的人所述,牛顿要比莱布尼茨早几年得出他的方法,但在1693年以前他几乎没有发表任何内容,并直至1704年他才给出了其完整的叙述。其间,莱布尼茨已在1684年发表了他的方法的完整叙述。两人创造了不同的微积分符号,欧洲大陆全面采用莱布尼茨符号,而英国坚持使用牛顿的微积分符号,直到1820年才全面采纳莱布尼兹的符号。莱布尼茨的笔记本记录了他的思想从初期到成熟的发展过程,而在牛顿已知的记录中只发现了他最终的结果。
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