牛顿在光学方面的成就也是极其伟大的。早在1664年，牛顿还在学生时代，就作了关于日冕的观察，1666年，牛顿打到了一块三角玻璃棱镜，用它试验了用白光分解为有颜色的光。在牛顿之前，已有一些人使用棱镜对光的折射现象作过研究。但都认为是棱镜产生了色，而不是仅仅把已经存在的色分离开来。

牛顿在进行棱镜折射现象研究的同时，对改进折射望远镜发生了兴趣。在研究过程中，发现了球面像差和色差现象。同时代人卢卡斯采用了跟牛顿所用的不同品种的玻璃棱镜做实验时，得到的光谱的长度和宽度跟牛顿的实验结果有很大的分岐。由于牛顿那时碰巧使用了具有相等色散率的一个玻璃棱镜和水，他重复过多次测量，竖信自己没有弄错，没有考虑为什么人家会得出跟自己不同的结果。正因为他在这点上没有采用通常的谨慎态度，错过了一个重要的发现——根据不同物质具有不同的色散率的特性，正可以制成消色差透镜。