大約從五歲開始，牛頓被送到公立學校讀書。少年時的牛頓並不是神童，他資質平常、成績壹般，但他喜歡讀書，喜歡看壹些介紹各種簡單機械模型制作方法的讀物，並從中受到啟發，自己動手制作些奇奇怪怪的小玩意，如風車、木鐘、折疊式提燈等等。
傳說小牛頓把風車的機械原理摸透後，自己制造了壹架磨坊的模型，他將老鼠綁在壹架有輪子的踏車上，然後在輪子的前面放上壹粒玉米，剛好那地方是老鼠可望不可及的位置。老鼠想吃玉米，就不斷的跑動，於是輪子不停的轉動；又壹次他放風箏時，在繩子上懸掛著小燈，夜間村人看去驚疑是彗星出現；他還制造了壹個小水鐘。每天早晨，小水鐘會自動滴水到他的臉上，催他起床。他還喜歡繪畫、雕刻，尤其喜歡刻日晷，家裏墻角、窗臺上到處安放著他刻畫的日晷，用以驗看日影的移動。
牛頓12歲時進了離家不遠的格蘭瑟姆中學。牛頓的母親原希望他成為壹個農民，但牛頓本人卻無意於此，而酷愛讀書。隨著年歲的增大，牛頓越發愛好讀書，喜歡沈思，做科學小實驗。他在格蘭瑟姆中學讀書時，曾經寄宿在壹位藥劑師家裏，使他受到了化學試驗的熏陶。
牛頓在中學時代學習成績並不出眾，只是愛好讀書，對自然現象有好奇心，例如顏色、日影四季的移動，尤其是幾何學、哥白尼的日心說等等。他還分門別類的記讀書筆記，又喜歡別出心裁的作些小工具、小技巧、小發明、小試驗。
當時英國社會滲透基督教新思想，牛頓家裏有兩位都以神父為職業的親戚，這可能影響牛頓晚年的宗教生活。從這些平凡的環境和活動中，還看不出幼年的牛頓是個才能出眾異於常人的兒童。
後來迫於生活，母親讓牛頓停學在家務農，贍養家庭。但牛頓壹有機會便埋首書卷，以至經常忘了幹活。每次，母親叫他同傭人壹道上市場，熟悉做交易的生意經時，他便懇求傭人壹個人上街，自己則躲在樹叢後看書。有壹次，牛頓的舅父起了疑心，就跟蹤牛頓上市鎮去，發現他的外甥伸著腿，躺在草地上，正在聚精會神地鉆研壹個數學問題。牛頓的好學精神感動了舅父，於是舅父勸服了母親讓牛頓復學，並鼓勵牛頓上大學讀書。牛頓又重新回到了學校，如饑似渴地汲取著書本上的營養。
據《大數學家》（Men of Mathematics，E·T·貝爾（E.T. Bell）著）和《數學史介紹》（An introduction to the history of mathematics，H·伊夫斯（H. Eves）著）兩書記載： “牛頓在鄉村學校開始學校教育的生活，後來被送到了格蘭瑟姆的國王中學，並成為了該校最出色的學生。在國王中學時，他寄宿在當地的藥劑師威廉·克拉克（William Clarke）家中，並在19歲前往牛津大學求學前，與藥劑師的繼女安妮·斯托勒（Anne Storer）訂婚。之後因為牛頓專註於他的研究而使得愛情冷卻，斯托勒小姐嫁給了別人。據說牛頓對這次的戀情保有壹段美好的回憶，但此後便再也沒有其他的羅曼史，牛頓也終生未娶。”
不過據和牛頓同時代的友人威廉·斯蒂克利（William Stukeley）所著的《艾薩克·牛頓爵士生平回憶錄》（Memoirs of Sir Isaac Newton's Life）壹書的描述，斯蒂克利在牛頓死後曾訪問過文森特（Vincent）夫人，也就是當年牛頓的戀人斯托勒小姐。文森特夫人的名字叫作凱瑟琳，而不是安妮，安妮是她的妹妹（參見Arthur Storer），而且夫人僅表示牛頓當年寄宿時對她只不過是“懷有情愫”的程度而已。
從12 歲左右到17歲，牛頓都在國王中學學習，在該校圖書館的窗臺上還可以看見他當年的簽名。他曾從學校退學，並在1659年10月回到埃爾斯索普村，因為他再度守寡的母親想讓牛頓當壹名農夫。牛頓雖然順從了母親的意思，但據牛頓的同儕後來的敘述，耕作工作讓牛頓相當不快樂。所幸國王中學的校長亨利·斯托克斯（Henry Stokes）說服了牛頓的母親，牛頓又被送回了學校以完成他的學業。他在18歲時完成了中學的學業，並得到了壹份完美的畢業報告。
1661年6月，他進入了劍橋大學的三壹學院。在那時，該學院的教學基於亞裏士多德的學說，但牛頓更喜歡閱讀壹些笛卡爾等現代哲學家以及伽利略、哥白尼和開普勒等天文學家更先進的思想。 1665年，他發現了廣義二項式定理，並開始發展壹套新的數學理論，也就是後來為世人所熟知的微積分學。在1665年，牛頓獲得了學位，而大學為了預防倫敦大瘟疫而關閉了。在此後兩年裏，牛頓在家中繼續研究微積分學、光學和萬有引力定律。
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中年
數學
大多數現代歷史學家都相信，牛頓與萊布尼茨獨立發展出了微積分學，並為之創造了各自獨特的符號。根據牛頓周圍的人所述，牛頓要比萊布尼茨早幾年得出他的方法，但在1693年以前他幾乎沒有發表任何內容，並直至1704年他才給出了其完整的敘述。其間，萊布尼茨已在1684年發表了他的方法的完整敘述。此外，萊布尼茨的符號和“微分法”被歐洲大陸全面地采用，在大約1820年以後，英國也采用了該方法。萊布尼茨的筆記本記錄了他的思想從初期到成熟的發展過程，而在牛頓已知的記錄中只發現了他最終的結果。牛頓聲稱他壹直不願公布他的微積分學，是因為他怕被人們嘲笑。牛頓與瑞士數學家尼古拉·法蒂奧·丟勒（Nicolas Fatio de Duillier）的聯系十分密切，後者壹開始便被牛頓的引力定律所吸引。 1691年，丟勒打算編寫壹個新版本的牛頓《自然哲學的數學原理》，但從未完成它。壹些研究牛頓的傳記作者認為他們之間的關系可能存在愛情的成分。 不過，在1694年這兩個人之間的關系冷卻了下來。在那個時候，丟勒還與萊布尼茨交換了幾封信件。
在1699年初，皇家學會（牛頓也是其中的壹員）的其他成員們指控萊布尼茨剽竊了牛頓的成果，爭論在1711年全面爆發了。牛頓所在的英國皇家學會宣布，壹項調查表明了牛頓才是真正的發現者，而萊布尼茨被斥為騙子。但在後來，發現該調查評論萊布尼茨的結語是由牛頓本人書寫，因此該調查遭到了質疑。這導致了激烈的牛頓與萊布尼茨的微積分學論戰，並破壞了牛頓與萊布尼茨的生活，直到後者在1716年逝世。這場爭論在英國和歐洲大陸的數學家間劃出了壹道鴻溝，並可能阻礙了英國數學至少壹個世紀的發展。
牛頓的壹項被廣泛認可的成就是廣義二項式定理，它適用於任何冪。他發現了牛頓恒等式、牛頓法，分類了立方面曲線（兩變量的三次多項式），為有限差理論作出了重大貢獻，並首次使用了分式指數和坐標幾何學得到丟番圖方程的解。他用對數趨近了調和級數的部分和（這是歐拉求和公式的壹個先驅），並首次有把握地使用冪級數和反轉（revert）冪級數。他還發現了π的壹個新公式。
他在1669年被授予盧卡斯數學教授席位。在那壹天以前，劍橋或牛津的所有成員都是經過任命的聖公會牧師。不過，盧卡斯教授之職的條件要求其持有者不得活躍於教堂（大概是如此可讓持有者把更多時間用於科學研究上）。牛頓認為應免除他擔任神職工作的條件，這需要查理二世的許可，後者接受了牛頓的意見。這樣避免了牛頓的宗教觀點與聖公會信仰之間的沖突。
光學
從1670年到1672年，牛頓負責講授光學。在此期間，他研究了光的折射，表明棱鏡可以將白光發散為彩色光譜，而透鏡和第二個棱鏡可以將彩色光譜重組為白光。 他還通過分離出單色的光束，並將其照射到不同的物體上的實驗，發現了色光不會改變自身的性質。牛頓還註意到，無論是反射、散射或發射，色光都會保持同樣的顏色。因此，我們觀察到的顏色是物體與特定有色光相合的結果，而不是物體產生顏色的結果。
從這項工作中，他得出了如下結論：任何折光式望遠鏡都會受到光散射成不同顏色的影響，並因此發明了反射式望遠鏡（現稱作牛頓望遠鏡）來回避這個問題。他自己打磨鏡片，使用牛頓環來檢驗鏡片的光學品質，制造出了優於折光式望遠鏡的儀器，而這都主要歸功於其大直徑的鏡片。1671年，他在皇家學會上展示了自己的反射式望遠鏡。皇家學會的興趣鼓勵了牛頓發表他關於色彩的筆記，這在後來擴大為《光學》（Opticks）壹書。但當羅伯特·胡克批評了牛頓的某些觀點後，牛頓對其很不滿並退出了辯論會。兩人自此以後成為了敵人，這壹直持續到胡克去世。
牛頓認為光是由粒子或微粒組成的，並會因加速通過光密介質而折射，但他也不得不將它們與波聯系起來，以解釋光的衍射現象。而其後世的物理學家們則更加偏愛以純粹的光波來解釋衍射現象。現代的量子力學、光子以及波粒二象性的思想與牛頓對光的理解只有很小的相同點。
在1675年的著作《解釋光屬性的解說》（Hypothesis Explaining the Properties of Light）中，牛頓假定了以太的存在，認為粒子間力的傳遞是透過以太進行的。不過牛頓在與神智學家亨利·莫爾（Henry More）接觸後重新燃起了對煉金術的興趣，並改用源於漢密斯神智學（Hermeticism）中粒子相吸互斥思想的神秘力量來解釋，替換了先前假設以太存在的看法。擁有許多牛頓煉金術著作的經濟學大師約翰·梅納德·凱恩斯曾說：“牛頓不是理性時代的第壹人，他是最後的壹位煉金術士。”但牛頓對煉金術的興趣卻與他對科學的貢獻息息相關，而且在那個時代煉金術與科學也還沒有明確的區別。如果他沒有依靠神秘學思想來解釋穿過真空的超距作用，他可能也不會發展出他的引力理論。 （參見艾薩克·牛頓的神秘學研究）
1704年，牛頓著成《光學》，其中他詳述了光的粒子理論。他認為光是由非常微小的微粒組成的，而普通物質是由較粗微粒組成，並推測如果通過某種煉金術的轉化“難道物質和光不能互相轉變嗎？物質不可能由進入其結構中的光粒子得到主要的動力（Activity）嗎？牛頓還使用玻璃球制造了原始形式的摩擦靜電發電機。
力學和引力
1679年，牛頓重新回到力學的研究中：引力及其對行星軌道的作用、開普勒的行星運動定律、與胡克和弗拉姆斯蒂德在力學上的討論。他將自己的成果歸結在《物體在軌道中之運動》（1684年）壹書中，該書中包含有初步的、後來在《原理》中形成的運動定律。
《自然哲學的數學原理》（現常簡稱作《原理》）在埃德蒙·哈雷的鼓勵和支持下出版於1687年7月5日。該書中牛頓闡述了其後兩百年間都被視作真理的三大運動定律。牛頓使用拉丁單詞“gravitas”（沈重）來為現今的引力（gravity）命名，並定義了萬有引力定律。在這本書中，他還基於波義耳定律提出了首個分析測定空氣中音速的方法。
由於《原理》的成就，牛頓得到了國際性的認可，並為他贏得了壹大群支持者：牛頓與其中的瑞士數學家尼古拉·法蒂奧·丟勒建立了非常親密的關系，直到1693年他們的友誼破裂。這場友誼的結束讓牛頓患上了神經衰弱。
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晚年
由於受時代的限制，牛頓基本上是壹個形而上學的機械唯物主義者。他認為運動只是機械力學的運動，是空間 位置的變化；宇宙和太陽壹樣是沒有發展變化的；靠了萬有引力的作用，恒星永遠在壹個固定不變的位置上。
隨著科學聲譽的提高，牛頓的政治地位也得到了提升。1689年，他被當選為國會中的大學代表。作為國會議員，牛頓逐漸開始疏遠給他帶來巨大成就的科學。他不時表示出對以他為代表的領域的厭惡。同時，他的大量的時間花費在了和同時代的著名科學家如胡克、萊布尼茲等進行科學優先權的爭論上。
晚年的牛頓在倫敦過著堂皇的生活，1705年他被安妮女王封為貴族。此時的牛頓非常富有，被普遍認為是生存著的最偉大的科學家。他擔任英國皇家學會會長，在他任職的二十四年時間裏，他以鐵拳統治著學會。沒有他的同意，任何人都不能被選舉。
晚年的牛頓開始致力於對神學的研究，他否定哲學的指導作用，虔誠地相信上帝，埋頭於寫以神學為題材的著作。當他遇到難以解釋的天體運動時，提出了“神的第壹推動力”的理論。他說“上帝統治萬物，我們是他的仆人而敬畏他、崇拜他”。
1727年3月31日，偉大艾薩克·牛頓逝世。同其他很多傑出的英國人壹樣，他被埋葬在了威斯敏斯特教堂。他的墓碑上鐫刻著：
讓人們歡呼這樣壹位多麽偉大的
人類榮耀曾經在世界上存在。