牛頓進入皇家學會後便和正在興旺發達的實驗科學聯係到一起。
1672年的2月8日，牛頓應邀在皇家學會宣讀他的論文《關於光和顏色的理論》，並在19日的《哲學會報》上發表，從而首次將自己在以往的發現公之於眾。在論文裏，牛頓首次提出了自己發現太陽光譜的經過。通過一係列論證得出結論：白光是由7種不同顏色的光組成，顏色的形成和光線的折射有關。他還駁斥了一度為人們深信不疑的笛卡爾的理論，提到如果光是由小球體組成並穿過某種介質，必然遇到阻力，使徑跡彎曲，但在實驗中牛頓並沒有看到這種情況發生。於是他表示出對笛卡爾理論的懷疑，雖然他還沒有明確地談微粒說，但字裏行間卻已經流露出微粒說的基本思想。
這份論文引起了一場軒然大波。並非說這些實驗不精確，也並非實驗的結論站不住腳，而是牛頓的理論與當時的某些被奉為金科玉律的理論不符。有的人為沉悶的學術界出現的新空氣感到高興，用新奇而認真的眼光看待，研究牛頓的理論，有的人則不然，他們或為死板教條的理論所束縛，看不到新理論的正確性，或者根本就不喜歡新理論，如果牛頓的結論是300年前做出的，他們就會深信不疑，如果亞裏士多德生活在他們那個時代，他們也會照批不誤。我們不好評價牛頓在那個年代究竟遇到的是哪一種人，經曆的是哪一種情況，但可以確定的是這些人為的麻煩在牛頓後半生的大部分時間內一直纏繞著他，困擾著他。他不得不與來自各個方麵的反對意見作針鋒相對的鬥爭，與來自各個領域的學者作著沒完沒了的論戰。著名哲學家叔本華有感於這種情境，在《論天才》中寫道：
“一個人要真正創造出偉大的業績，就必須把目光投向後代人，堅定不移，始終不渝地為未來的人類精心製作自己的宏篇巨製。毫無疑問，其結果隻能是，他完全是一個無名之輩，而不為他的同代人知曉，並且，他好像是這樣一個人，他不得不在一個孤寂無人的小島上孑然一身地度過一生，在那兒他將盡全力矗立一座石碑，好讓未來的航海者知道他的存在。”
物理學家胡克便是第一個站出來投擲石塊的人。他是當時英國皇家學會的元老和核心人物，他在實驗方麵是一個天才，但卻不具備將見解化為研究成果的能力。他率先使用顯微鏡進行微觀世界的研究，並發明了細胞一詞。他預言了蒸汽發動機，卻無法進行製造，他是首先提出光波理論的人之一，卻沒有將理論完整地發展。
1672年2月15日，在皇家學會的討論會上，胡克當眾宣讀了他寫給奧登伯格的信，並把副本交給牛頓，在信中他對牛頓嚴謹的研究態度和實驗觀察給予了充分肯定，稱讚新型反射望遠鏡的別致設計和出色性能，但對牛頓有關光和顏色的理論進行了批評，也提出了自己的觀點，從此展開了著名的波動說和微粒說的論戰。
這場論戰的焦點主要集中在三個方麵：微粒說，太陽光譜和基色理論。牛頓認為，顏色不過是不同折射率的光線在人視覺上的反映。胡克在1665年便發表論著提出光的波動說，認為“光隻能通過均勻的、透明的介質傳播的一種脈衝或運動”。作為波動說的堅定擁護者，他對牛頓的微粒說給予了正麵的駁斥和批評，在他的帶動下，一批當時的科學家也隨聲附和，推波助瀾。爭論起初，牛頓有些不知所措，第一次將自己的理論公之於眾便遭到了權威的強烈批評。在他內心深處，除了惶恐和苦惱之外還有一絲對自身的懷疑。自己不過是個初出茅廬的小人物而已，而胡克是那個時代光學的權威。“我真的錯了嗎?”四麵樹敵的牛頓經常這麼苦苦思索。當這種疑慮發展到至極的時候，牛頓的信心動搖了，他開始懷疑自己的理論。終於在當年的7月6日，在他寫給奧登伯格的信中，承認了以太的存在，從而向以太說至少是部分地妥協了。提出玻璃內有不同的孔洞和角，光線投人便產生了折射。認為以太是空氣粒子碰撞並逐次破碎後產生的及其細微的小粒子組成的，它既細微，又稀薄富有彈性，可以像空氣一樣振動。但他的微粒說的基本思想並沒有改變。胡克誤解了他後來的聲明，認為牛頓已經投降而向其表示了歉意。牛頓為此心中感到很苦惱，向以太說的妥協與其像後人所說得那樣是在權威麵前不得已的屈服，不如說是牛頓厭倦了喋喋不休的辯論與爭鬥，加之不自信導致的必然結果。就這樣，二人的爭鬥中也存在著妥協，而最終胡克的基色觀點被證明是錯誤的。在以後的200年裏，波動說和微粒說的爭鬥一刻也沒有停止。最後還是20世紀的科學先驅阿爾伯特·愛因斯坦綜合了前人的理論，發現了光線波粒子或物質波的表現形態，提出了光的波粒二象性，結束了曠日持久的爭執。要知道，這種科學上的爭論雖然有時會為某些別有用心的人所利用而變成打擊別人、抬高自己的有效手段，但從曆史的角度來說，還是有其積極意義的，至少這為後來光和輻射的研究奠定了很好的科學和思想基礎。
此時的牛頓當然不會認識到這一點，在與胡克波動說的辯論剛剛開始的時候，他發現自己又被卷入了與法國笛卡爾、惠更斯學派關於基色理論的爭執，局麵因而變得更加錯綜複雜起來。他對此沒有絲毫思想上的準備。
牛頓的第一篇光學論文宣讀並發表之後，立即招來了遠在巴黎的擁護笛卡爾以太旋渦說的法、意學者的一致聲討。他們對牛頓的微粒說，顏色理論倍加反感，駁斥的重點放在7種基色理論上。他們首先批評牛頓用不同折射率解釋光線的顏色，又說所有顏色的光線混合後產生白光的說法與所有現象不符。牛頓當然很快作出了反應，寫信給奧登伯格進行辯解。1672至1673年間，著名物理學家惠更斯也加入了戰團，他以“N先生”為筆名給奧登伯格寫信，語多涉及牛頓的顏色理論。惠更斯認為隻有藍色和黃色才是基本顏色，這兩者足以合成太陽光譜中的其他顏色，自然也可以合成白色，牛頓的理論並非不正確，而是不必要，相比之下，自己的二種基色理論要基本一些。
牛頓對此給予了反擊，並沒有進行妥協。與胡克相比，惠更斯沒有那種窮追猛打的精神，看到自己無法說服牛頓，便不再進行辯論，而是與他討論起反射望遠鏡來了。
1674年，比利時物理學家利努斯寫信給奧登伯格，反對牛頓的光譜理論，竟然得出結論說牛頓在光譜實驗中見到的很可能不是真的日光束，而是穿過白雲的光線。在1675年，他又荒謬地宣稱：根據牛頓自己的實驗和論文，隻能得出他不是在晴天完成實驗的結論。這種極不負責任、毫無科學依據的結論大大地激怒了牛頓，他天性純良，決想不到正常的科學辯論會發展成這樣一種結果。起初本著促進科學進步的精神，他認真地進行辯論，但在他發現有些人並非為科學而論辯而是為派別而論辯時，他失望了，他內心隱隱覺得自己向往的學術淨土其實並不存在，人們對新興事物或捧或殺隻是為了自己的利益。他受到了傷害，決心“永遠告別哲學”，不再同那些無聊的人打交道，從此再也不發表新的理論，甚至以不交會費的方式向皇家學會提出退會(後被奧登伯格巧妙地阻止)。
從胡克到笛卡爾、惠更斯，這一場光學大討論持續了近10年，牛頓為此投入了大量的精力。但在當時笛卡爾以太說占統治地位的情況下，除了較之以前有了一些聲名之外，牛頓沒有得到什麼，也沒有成功地讓誰接受自己的理論。在此之後，他的性格和治學態度也因此有了很大的改變，這表現在以下幾個方麵：他一度中斷了在光學、力學和數學方麵的研究，轉而進行化學實驗和中世紀十分盛行的煉金術。自1675到1684年他很少發表論文，當然也就談不到什麼辯論了。事實上，他從主觀上變得更加膽小，不敢參與任何學術辯論。治學態度也更加嚴謹，不肯再輕易地作假設，厭惡無事實依據的空想、猜想。而且這次爭論直接促使他從“討厭的哲學”中走出來，將大部分時間和精力投人到煉金術和神學的研究中去了。