1666年对于牛顿来说是孕育的年份。那年，他开始光学方面的研究，在同年5月，他回忆说：“但我也开始反流数法的研究，同年我开始对伸展至月球轨道上的引力加以思考……由此比较使月球停留在轨道上的力量与地球表面的重力，发觉它们皆因……那些年头，我正值壮年。”
1666年，疠疫袭击剑桥，为了安全之故，牛顿返回他的故乡乌尔索，至此我们遇到一个绝妙的故事。伏尔泰在《牛顿的哲学》（Philosophie de Newton）一，如此写道：
他的侄女康杜特夫人告诉我，1666年牛顿回乡时，有一天，他看到树上掉下一些果子，开始思考万有引力的问题。
这是已知最早的有关苹果的故事。它不曾出现在早期牛顿传记的作品中，也不见于他对自己如何产生万有引力想法的叙述中。这个故事现在已被认为是传说。另一个故事倒是比较可能：一个陌生人问牛顿如何发现万有引力时，他回答说：“靠不停的思索。”很显然，早在1666年，牛顿便已计算出，把星球固定于其轨道上的吸引力的大小，与该星球距太阳的远近的平方成反比。然而，他仍未能将理论与数学计算结合起来，于是将其搁置，在随后的18年中，不曾出版任何有关的东西。
星际万有引力的观念并非由牛顿所创。有些15世纪的天文学家就曾想到天际对地球有一种类似磁铁作用于铁的力，地球在各个方向平均地被吸引，这些总和的力量使它悬在空中不坠。威廉·吉尔伯特在《磁》（De Magnete，1600年）一，已对围绕每个物体的磁性力量有所思考，并在一本如此写道：
从月球散发出来的力到达地球，同样，地球的磁性作用也分布于月球各处，依运动的程度与协调，二者联合作用，因而相应，一致行动……但地球因质量较大而有较大的影响力。
伊斯玛力·布亚尔（Ismaelis Bouillard）在他的《天文学》（Astronomia Philolaica，1645年）一，主张星球之间的相互引力与其间距离的平方成反比。阿方索·波里利（Alfonso Borelli）在《美第奇行星原理》（Theories of the Medicean Planets，1666年）一说：“每颗行星和卫星皆围绕宇宙中某些星体以为力量之源，该星体紧紧吸引着它们，使它们被迫不断地旋转追随其至各处，无法脱离。”他把这些行星和卫星的轨道解释为其旋转的离心力（如我们在轮子上或以绳系物旋转时所见的）与太阳的向心吸引力相抗的结果。开普勒认为引力是一切天体具有的，而且一度算出其力量与距离的平方成反比，这很显然要早于牛顿，但是稍后他却驳斥此公式，转而推论，随着距离的增加，引力会成比率减少。这些对万有引力的探讨，受笛卡儿“原始物质产生旋涡而定各自的作用和轨道”说法的影响而走偏了方向。
皇家学会中的许多精明人士对万有引力的数学问题感到困惑。1674年，比牛顿发现万有引力的“声明”要早11年，胡克便在他的作品《地球周年运动证明尝试》（An Attempt to Prove the Annual Motion of the Earth）中说：
我将解说一种世界体系，这个体系在一些特点上有别于已知的，而把所有的道理都以力学运动来说明。此说建立在3个假设之上。第一，不论任何天体皆有一种向心的吸力或重力，借此不仅吸引其自身各部以防其飞离……也吸引在其活动范围内的各种天体……第二，任何个体只要被推动做简单而直接的运动，除非有其他有效的力量作用，个体将依直线做连续的运动……第三，此吸引力随被作用星体靠近作用星体中心而加强。
胡克在他的论文中并未算出这个引力是否与距离的平方成反比。但假如我们相信奥布里的话，胡克曾把这个原则告知当时已独立发现同一道理的牛顿。1684年1月，胡克向当时已接受平方反比公式的雷恩和哈雷二人提出这个原则。他们向胡克指出，时下需要的不是单纯的假设，而是足以说明万有引力原则决定行星路径的数学证明。雷恩向胡克和哈雷提供40先令的奖金，要求他们中的任一人在两个月内向他提出万有引力的数学证明。就我们所知，二人皆未提出。
约1684年8月，哈雷到剑桥，问牛顿：假如一颗星球受太阳吸引的强弱程度，与其与太阳之间距离的平方成反比，则该星球的轨道为何？牛顿答说，是一个椭圆。一如开普勒对布拉赫的观察做数学研究后，得出相同结论说行星的轨道是椭圆的，天文学现在似乎被数学证实，数学也被天文学证实。牛顿补充说，他在1679年即已完成详细的演算，却将其搁置，因为计算结果与当时流行的地球直径和地月距离不尽相合，最主要的是因为他不确定在度量引力大小时，可否把太阳、行星和月球当作个别的点来处理。但1671年，皮卡德发表他的地球直径和经度新度量，他算出后者是69.1英里。1672年，皮卡德到南美洲传教，使他有机会算出地球太阳之间的距离为8700万英里。这些新测量与牛顿的万有引力数学吻合。1685年，进一步的计算使牛顿确信一颗星球吸引一个物体时，其质量有如聚于其中心。此时他对自己的假说有更大的信心。
他拿一块坠向地球的石头之速度，与月球将落向地球的速度相比——假设地球对月球引力随地月距离的平方减少。他发觉使石头落地的力量与克服月球离心倾向而将月球吸向地球的力量是相同的。他的成就在于把这结论应用到所有太空的星体上，构想他们借万有引力之网而联结在一起，借以说明他的数学和力学预测与天文学家们，特别与开普勒的观察吻合。
牛顿将其计算结果重新做了一次，然后于1684年通知哈雷。哈雷看出其重要性，敦促他报告皇家学会。牛顿应允把一篇他对运动和万有引力看法的论文《关于运动的命题》（1685年2月）的摘要呈送给皇家学会。1686年3月，他开始进行更圆满的阐释。1686年4月28日，他把《数学的自然哲学》的第一部分“流数法”的草稿送给皇家学会。胡克当时即指出他于1674年早于牛顿发现这个规律。牛顿在一封给哈雷的信中回答说，胡克的平方反比观念得自波里利和布伊勒。争论激怒了双方。哈雷扮演和事佬，同时牛顿在他的草稿中第四命题下附了一个注释：“我们的友人雷恩、胡克和哈雷曾经推论出平方反比的法则。”争论使他极度厌烦，他对哈雷宣布（1687年6月20日）第二部分已完成，并补充道：“现在我打算把第三部分搁置。哲学是一个泼妇，一个人宁可坐牢也不可与她打交道。”哈雷说服他继续下去，于是1687年9月，整部著作在皇家学会及当时的主席佩皮斯的名义下出版。学会缺少资金，虽然不是富有的人，哈雷还是支付了出版的一切费用。终于，经过20年的经营，17世纪科学史上最重要的一部著作出版了。该书对欧洲知识界心灵的影响程度，唯有哥白尼的《天体运行论》和达尔文的《物种起源》（Origin of Species，1859年）可与比拟。这三部书的面世是欧洲近代史上的重大事件。
