1667年4月，牛顿告别了家人，返回了剑桥。两年过去了，剑桥在瘟疫结束之后又焕发出勃勃生机，来自于欧洲各地的学子操着十余种语言在交谈着。园丁在忙着给树木剪枝，给花坛浇水。牛顿深深地吸了一大口新鲜空气，脸上充满了希望。在重返剑桥之前，牛顿的心中已经形成了力学、光学、数学、天文学的理论框架。
回到寓所，刚刚打扫了一下房间，牛顿听到有人在敲门。“请进！”门开了。牛顿一见是巴罗教授。巴罗教授惊奇地喊道：“噢，我是在校门口听说你回来了，便过来看看。欢迎你回来，牛顿先生。”巴罗教授伸出手去。看到巴罗先生如此热情，牛顿十分激动，不知为什么，在巴罗面前，他总是没有任何顾虑，仿佛在两人之间有亲情关系似的。一番寒暄之后，两人开始切入正题，牛顿向巴罗教授谈起了这两年来在伍尔索浦的生活、学习情况。说得最多的还是自己对万有引力、光学、天文学进行的思考与研究。此时的他或许还不知道，这一阶段在其头脑中所形成的理论框架将注定使他名烁古今。他不知疲倦地说着，讲到酣处，便拿出纸笔又写又画，全然忘记了晚饭时间已经过去。巴罗教授耐心地听着，时而欣喜地微笑，时而费神地思考以致拧紧了眉头。他发现牛顿在这两年中学识有了巨大的飞跃，真应当刮目相看。从牛顿在几个不同学科的基本思想上来看，他已经掌握了前人的精华，并在大量的实验基础上经过精心的推断论证，从而推导出自己的结论。巴罗教授还清晰地记得他送开普勒所著《光学》给牛顿的情景，但而今牛顿在光学上的研究与发现已远非开普勒所能相比的了。当牛顿还不大好意思地讲到自己是因为受到苹果落地的启发才开始思考万有引力的问题时，巴罗教授心中不禁一动，天才！只有天才才能够发现蕴含在平凡之中的真理。此时他知道，牛顿必将成为一名伟大的科学家，注定因其博大精深的思想与对世界无与伦比的贡献为后世所铭记。想到这里，巴罗教授欣慰地笑了。
“巴罗先生，你笑什么？”正说得滔滔不绝的牛顿看到巴罗教授突然笑了，十分不解。
巴罗教授真诚地说：“哦，没什么，伊萨克，没有想到在这么长时间内你的学业、研究竟一点没有荒废。真为你取得的成就感到高兴。”
“啊，我只是想凭借实验解开心中的疑虑罢了，但要取得最终的结果，还需要大量的时间和优良的实验仪器。”
“这没有问题，现在学校已经复课，你的研究会慢慢地步入正轨。对了，你下一步有什么打算？”
“我想继续光学方面的研究，看能不能再发现些什么。”
实际上，光学在当时的欧洲发展得很快，一大批科学家（同时也是磨镜工艺专家）均在从事这方面的研究。它涉及多个领域的不同方面。
这一晚，牛顿与巴罗教授谈天说地，评古论今，促膝长谈，直至深夜。自此，两人都觉得他们之间的友情更加亲密了。回到剑桥后，除了巴罗教授，牛顿并没有将自己的发现和发明告诉他人，把没有考虑得完全成熟的东西拿出来炫耀，一向不是牛顿所为，这种轻率的举动令他鄙视。他一回到学校，就一头扎进他的研究之中。他在鼠疫期间产生的那些重大思想虽然在他外表上看不出什么，但内心却激动不已。他非常清楚他的研究有许多问题没有明白，他必须继续探索，彻底弄清。然而，他被那些未知的问题深深地吸引住了，强烈的追求精神使他深深陷于其中。
他现在要做的第一件事就是制造出一架望远镜。在鼠疫期间，他对色散的实验和研究，使他相信找到了老式折射望远镜成像模糊不清的原因，因而他急于要制造一架新的望远镜来验证自己的应用理论的正确性。他忙着用钻头、锤子、圆规、磁铁、棱镜和其他材料磨制玻璃透镜，加工金属构件。与此同时，他还空出时间，忙于自己的学业。1667年底，他回老家过圣诞节，第二年1月返校后便获得硕士学位。八九月间他到伦敦去了一趟，购置了研究光学和制造望远镜所急需的一些设备和材料，然后专心致志地研制反射望远镜。
通过在家乡的研究，牛顿发现了白光的合成性质，同时发现，由于每一条光线的折射率不同，从而形成色散现象。
正是这些发现让他得出最后的结论：当时所用的折射望远镜的主要缺陷不是由于物镜的球面像差，而是由于物镜的色像而使得所成物像带有彩色边沿。所以，根据折射原理制作的任何望远镜，都无法消除色像差这一毛病，只有根据新的原理，制造反射望远镜，这一问题才能得以解决。不单单是一位理论家，而且从小就是一个心灵手巧的工匠。工艺制作之类的事，是他最大的专长。牛顿就在他那所靠近教堂的寓所底层的小房间里干起来了。他自己动手用小小的金属镜子来做反射望远镜，他花了很长一段时间来磨光镜子的凹面，必须磨得非常光而且还带有一定的曲度，才能清楚地接受射来的光线并使之聚焦。这种别出心裁的装置被人们称之为“牛顿装置”。根据自己的这种设计思想于1668年制造出了世界上第一架反射望远镜。这架望远镜很小，只有六英寸长，直径一英寸，然而却能放大物像四十倍，并且是手工制造。当他第一次在晚上用这架望远镜指向星空时，影像清晰明亮，颜色条纹的干扰完全消除了，也清晰地看到木星和它的四个卫星，找到了金星的位置。他实在是太激动了。制造反射望远镜的消息传到皇家学会，给了大家一个惊喜，人们都要先睹为快。9月份的时候，牛顿把这架望远镜送给了皇家学会，并且附上一封信，说明制造这架望远镜的指导思想。