牛頓是物理學史上最偉大的科學家之一，他除在自然科學的許多學科都做出了劃時代的貢獻之外，還繼承和發展了伽利略所開創的近代科學研究方法。正是這些方法使得牛頓的科學理論十分富有成效，「直到19世紀末，它一直是理論物理學領域中每乙個工作者的綱領。」他的研究方法，指導了以後幾代物理學家的研究工作。
一、實驗方法與抽象方法
實驗方法是科學研究的基本方法。它既是獲得經驗知識，為科學理論的建立提供原始資料的途徑和方法，同時也是檢驗科學理論和假說的重要途徑和手段，牛頓對於實驗十分重視。在他的著作中反覆強調了實驗和觀察的重要性，他堅持認為自然哲學家要把他的概括建立在對現象的仔細考察的基礎上。
他指出：「雖然用歸納法來從實驗和觀察中進行論證不能算是普遍的結論，但它是事物的本性所許可的最好論證方法。」牛頓還進一步指出：
「我所以相信我提出的理論是對的，不是由於它來自這樣一種推論，因為它不能別樣而只能這樣，也就是說，不僅僅由於駁倒了與它們相反的假設，而是因為它是從得出肯定而直接的結論的一些實驗中推導出來的。所以考察它的方法，就在於考慮我所提出的實驗是否確定了這個理論中應用了這些實驗的那些部分，或者是去進行理論自身的驗證而提出其他實驗。」可見牛頓是相當重視科學實驗的，他把它作為科學研究的最基本方法之一。
牛頓的科學研究是以實驗為基礎的。他歷來十分注意科學觀察和實驗。他曾製造過風箏、日規和漏壺，還研磨過稜鏡。
他還設計了許多精巧的實驗裝置和儀器。例如他設計和製造了第乙個反射望遠鏡。他做過許多出色的科學實驗，如色散實驗和干涉實驗等。
他的一些重大成果是與實驗密切相關的。牛頓進行的科學實驗有不少是研究探索性的，但更多的是驗證性實驗。除了他個人的實驗和觀察外，他十分注意從前人和其他科學家的實驗和觀察來獲得大量的經驗和證據。
這樣就使他的理論是建立在更加廣泛的實驗的基礎之上的。
牛頓建立力學理論，提出一般原理時，僅僅應用實驗法是不夠的。用實驗方法還不能使牛頓提出力學三大定律。他還應用了抽象方法，例如第一定律指出：
」每個物體繼續保持其靜止或沿一直線運動的狀態，除非有力加於其上迫使改變這種狀態。」這裡所描述的是物體不受外力作用下的狀態。一般來說，觀察乙個物體的運動要有乙個觀察者或某種觀察記錄儀器，但是任何物體之間都是存在著引力作用的。
乙個被觀察的物體是不可能不受外力的作用。其實慣性定律是通過對物體運動做出的抽象而建立的。科學抽象也是牛頓進行科學研究的一種基本方法。
在牛頓力學中有不少概念和原理的提出是與應用抽象方法分不開的。牛頓絕對空間、絕對時間的概念也是抽象的結果。牛頓引力理論的建立同樣離不開抽象方法的運用。
引力定律是在克卜勒定律基礎上進行高層抽象的結果。作為低層抽象的克卜勒定律是描述性的經驗定律，而作為高層抽象的萬有引力定律是解釋性的原理。
理想化是科學抽象的一種形式。理想化方法是用理想的客體代替實在的客體進行科學研究的一種重要方法。運用這一方法能夠大大的簡化研究物件，有利於邏輯推理和發現事物的規律。
牛頓在力學研究中運用了這種方法。實際上慣性定律的提出就應用了這一方法，它是在考察假想、純化形態下物體的運動規律時得到的。引力定律實際上也是乙個「理想模型」。
在引力問題的研究中，牛頓實際上已運用了「質點」這一理想化的概念。雖然牛頓在他的著作中沒有強調抽象方法。但他在科學研究中卻多次應用了這種方法，他對許多問題的歸納概括也包含著大量的科學抽象。
抽象方法的應用補充了牛頓實驗研究的不足。
二、歸納方法與演繹方法
歸納與演繹都是科學研究的重要方法。前者是由個別到一般的思維和推理方法，後者是由一般到個別的思維和推理方法。歸納和演繹是牛頓進行科學研究的兩種主要方法。
他十分重視歸納的作用，在他的著作中反覆強調過歸納方法，他說：「在實驗學上，一切定理均由現象推得，用歸納法推廣之，物體之不可透性、可動性、撞擊性以及運動之定律，均是如此得來。」他指出：
「實驗科學只能從現象出發，並且只能用歸納來從這些現象中推演出一般命題。」可見牛頓十分重視歸納的方法。但牛頓力學是乙個演繹系統，而不是乙個歸納系統。
雖然牛頓在科學研究中廣泛應用了歸納方法，但他建立的理論體系是主要以演繹法來完成的。其實，牛頓也是十分強調演繹的作用的，這主要體現在他對數學方法的多次強調上，數學方法本身就是具有演繹性質的方法。
在科學研究中歸納和演繹不是截然分開的，而是互相補充的。任何一門理論自然科學都不是單用歸納或單用演繹得出的。沒有歸納，實驗中所獲得經驗材料就不能上公升到理論；沒有演繹，理論就不能成為嚴謹的，系統的理論。
歸納方法與演繹方法分別是牛頓進行科學研究的兩個過程——分析和綜合過程——的核心方法。這使牛頓的歸納和演繹具有自己的特色。牛頓演繹得出的推斷往往超出原來歸納結論的價值。
由於歸納只是分析過程中的一種方法，所以它往往是與其他方法共同應用的，在歸納的過程中一般也滲透著其他方法的運用。同樣，演繹的過程也往往包含其他一些方法的應用過程。而且歸納和演繹有時也是交織在一起的。
三、分析研究與綜合研究
分析與綜合既是科學研究的兩種方法，同時也是科學研究的兩個過程。作為方法，分析和綜合都有整體性、一般性方法的功能。作為過程，分析與綜合的結合與統一，反映了科學研究的一種重要程式。
牛頓在《原理》一書中聲稱他的運動三定律和萬有引力定律都是用分析與綜合方法發現的。由此可知，分析與綜合是牛頓科學方法與方**的精華。
作為科學研究的過程，分析與綜合是牛頓進行科學研究的不同階段。曾幫助牛頓進行《原理》第二版準備工作的數學家r·科茨在為該書所作的序中討論了當時的科學方法。在討論牛頓的分析法與綜合法時指出：
「從一些特選的現象，經過分析，他們匯出了自然界的各種力以及這些力所遵循的比較簡單的規律，這是研究哲學時無與倫比的最好方法。」這說明牛頓的科學研究一般來說先經過分析過程，然後進入綜合過程。在分析過程中，從現象出發，通過觀察和實驗得出結論，然後經過歸納、模擬和抽象獲得一般性原理。
在綜合過程中通過演繹、公理化、理想化等方法推出新的結論和原理，然後對現象進一步進行解釋，並對原理進行驗證。
分析研究和綜合研究都是運用多種科學方法的過程，模擬法、演繹法、公理化方法和理想化方法是綜合研究的主要方法。其中，公理法的應用是創造性的，也是牛頓對科學方法發展的獨特貢獻，歸納方法與演繹方法在分析與綜合過程中起著重要作用。歸納方法是牛頓分析研究過程的核心方法，沒有這一方法分析研究就無法進行，同樣，演繹方法又是綜合研究的核心方法。
數學方法在兩個過程中都要應用，無論是分析研究還是綜合研究都離不開數學方法。分析研究在提出原理、發現規律方面經常起著主要作用。在牛頓的力學研究中，綜合研究佔主導地位，在光學研究中則分析研究佔主導地位，這與當時光學沒有達到力學那樣高的發展階段有很大關係。
分析研究和綜合研究是牛頓進行科學研究不可缺少的兩種方法和兩個過程。正是由於分析與綜合的相互作用和有機統一，使得牛頓的科學方法變得十分有效，成為牛頓實現近代科學史上第一次理論綜合、做出偉大貢獻的主要原因之一。
四、數學方法和公理化方法
數學的重要特點是具有高度的概括性和抽象性。數學作為科學方法，生動地表現了思維與存在、主觀與客觀的同一性。數學方法有普遍的適用性。
牛頓在科學研究中高度運用了數學方法。數學方法滲透在牛頓科學研究的全部過程之中，成為他表達科學概念和科學理論必不可少的重要形式和手段。
對於數學方法，牛頓是相當重視的。在為《原理》第一版寫的序中，牛頓一開始就指出：「由於古人認為研究自然事物時力學最為重要，而今人則捨棄其實體形狀和隱蔽性質而力圖以數學定律說明自然現象，因此我在本書中也致力於用數學來**有關的問題。
」可見，牛頓把教學方法運用於整個力學研究的各個方面和全過程之中。牛頓並沒有把數學和力學嚴格區分開來，他認為「幾何學是建立在力學的實踐之上的，它無非是普通力學的一部分，能精確地提出並論證測量的方法」。牛頓把幾何學看作力學的一部分，並把幾何學的演繹方法應用於整個力學的研究之中。
《原理》一書主要是按照歐幾里德式的演繹法展開的。他把前人和自己的成果用公理化方法組成了乙個有機整體。構造了經典力學的理論體系。
牛頓與伽利略、笛卡爾一樣都是以數學家的身份去探索自然的，無論在一般方法上或是具體方法上都是如此。數學方法在牛頓的整個科學研究中起著十分重要的作用。在牛頓的著作中，科學原理和定律採用簡明的數學公式處處皆是。
牛頓把他的力學著作命名為《自然哲學之數學原理》決不是偶然的。從萬有引力理論的建立過程更可以清楚地看到牛頓對數學方法的運用程度。正是由於高度應用了數學方法使他解決了其他人所沒有解決的問題。
著名物理學家勞厄（laue max theodor felix von，1879～1960）在談到牛頓對數學方法的應用時指出：「沒有任何東西像牛頓對行星軌道的計算那樣如此有力地樹立起人們對年輕的物理學的尊敬。從此以後，這門自然科學成了巨大的精神王國，沒有任何權威可以忽視它而不受懲罰。
」牛頓對數學方法的應用，對以後科學的發展產生了極大的影響，使數學方法在科學研究中的應用日益廣泛。牛頓在建立經典力學的同時還創立了一套新的數學方法——微積分方法，他還創立了許多具體的數學方法，在數學上做出了劃時代的貢獻。牛頓與萊布尼茲相比，牛頓沒有詳細建立微積分的規範、法則和公式系統，但是他的巨集偉的微積分應用不僅證明了它的價值，而且遠遠超過了萊布尼茲的工作，刺激並決定了幾乎整個世紀數學分析的方向。
牛頓的工作一方面推動了數學的向前發展，另一方面為數學方法在科學中的應用開闢了前進的道路。
牛頓在力學中對公理化方法的成功應用是他高度運用數學方法的結果。牛頓力學是用公理化方法建立起來的演繹系統，《原理》一書是運用公理化方法的結晶。正如物理學家海森伯（heisenberg werner karl，1901～1976）所說：
「牛頓《自然哲學之數學原理》一書從一組定義和公理開始，這些定義和公理是這樣內在地聯絡在一起，以致它們構成了人們可稱為『閉合系統』的一組東西，每乙個概念能夠用乙個數學符號表示，而不同概念之間的聯絡可以用數學符號的數學方程來表示。系統的數學映像保證系統中不出現矛盾。這樣，物體在作用力的影響下可能產生的運動就由方程的可能解所表示。
」進一步考察牛頓的公理化體系，可以發現牛頓的公理化方法有三個階段。牛頓對力學理論的系統闡述就是按這樣的階段展開的。第乙個階段是建立乙個公理系統，它是通過演繹組織起來的一組定義、公理和定理。
公理是不能從這一系統內的其它命題推演出來的，而定理是這些公理演繹的結果。第二個階段是把公理系統中的定理與觀察相聯絡，即把系統與物理世界中的事件聯絡起來。第三個階段就是進一步驗證和解釋公理化體系中的演繹結果。
牛頓強調把乙個公理系統與它的實際應用相區分，這是他對科學方**的乙個重要貢獻。牛頓的工作使公理化方法成為科學知識演繹系統化的一種重要方法。
五、牛頓的科學觀
在牛頓以前，哥白尼和克卜勒均信奉「簡潔性」與「和諧性」。他們首先習慣於提出乙個無法證實的準則，即上帝應該是很完美的，由上帝主宰的自然運動規律應該是「和諧而簡潔」的。哥白尼之所以提出太陽中心說，其主要動力是因為如果將中心從地球移到太陽，則行星運動軌道將更為簡單，並且可避免地心說中的行星逆行問題。
正如哥白尼自己所說的那樣，日心說顯示了「令人欣賞的對稱性」和「清晰的和諧性」。然而，牛頓的科學觀則是因果決定論。他認為世界萬物的運動均是統一的，所有的結果都是由明確的原因引起的，只要知道物體的初始狀態，利用牛頓三大定律、萬有引力定律以及微積分，便可精確預言之後任何時刻該物體的運動狀態和位置。
只要你願意，預言的精確程度可無限地提高，且在這一過程中，因果關係十分明確，運動規律也完全確定。牛頓開創了因果性科學觀的完整體系，揭示了自然世界在這一層次的深刻規律。直至20世紀初期，牛頓的這種因果決定論仍統治著整個物理學乃至自然科學的發展。
量子力學誕生初期，微觀粒子所顯示出來的波粒二象性實驗事實迫使物理學家重新考慮牛頓的因果決定論。最終，人們不得不放棄在微觀領域中單個事例的因果決定論，進而採用了波函式統計規律的因果決定論。
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