在科学史上，牛顿对万有引力定律的发现可以说功绩卓越。其他科学家如胡克、哈雷也在这方面作出了非常重要的贡献，但与牛顿相比，他们的观点和研究方法总是存在某些缺陷，最终与跨时代的科学发现失之交臂。
牛顿于1687年发表了《自然哲学的数学原理》。他所发现的万有引力定律，也在这部著作中得到了系统而深刻的论证。为物理理论中已经确立的定律、新假说、实验观测等，提供了一个极好的范例。
关于万有引力的发现还有一个有趣的传说：一次，牛顿正在花园里小坐。这时，一个苹果从树上掉了下来……虽然这件曾发生过无数次的事再平常不过，但却引起了这位巨人的沉思：究竟什么原因使一切物体都受到差不多总是朝向地心的吸引呢？牛顿思索着，终于，他发现了对人类具有划时代意义的万有引力。
在《自然哲学的数学原理》中，牛顿提出了一个思想实验，设想有一个小星球很靠近地球，以至几乎触及到地球上最高的山顶，那么使它保持轨道运动的向心力当然就等于它在山顶处所受的重力。这时如果小星球突然失去了运动，它就如同山顶处的物体一样以相同的速度下落。如果它所受的向心力并不是重力，那么它就将在这两种力的作用下以更大的速度下落，这是同我们的经验不符合的。可见重物的重力和星球的向心力必然是出于同一个原因。
紧接着，牛顿根据惠更斯的向心力公式和开普勒的三个定律推导了平方反比关系。牛顿还反过来证明了若物体所受的力指向一点而且遵从平方反比关系，则物体轨道呈贺锥曲线——椭圆、抛物线或双曲线。在原理中，牛顿用磁力作用相类比，得出这些指向物体的力应与这些物体的性质和量有关，从而把质量引进了万有引力定律。
牛顿把他在月球方面得到的结果推广到行星的运动上去，并进一步得出所有物体之间万有引力都在起作用的结论。这个引力同相互吸引的物体质量成正比，同它们之间的距离的平方成正比。牛顿根据这个定律建立了天体力学的严密的数学理论，从而把天体的运动纳入到根据地面上的实验得出的力学原理之中，这是人类认识史上的一个重大的飞跃。