万有引力定律的发现是近代经典物理学发展的必然结果。科学史上普遍认为，这一成果应该归功于伟大的牛顿。但是，其他杰出的科学家如胡克、哈雷等在这一方面也做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着这样或那样的缺陷，最终与跨时代的科学发现失之交臂。
早在1661年，就已觉察到引力和地球上物体的重力有同样的本质。1662年和1666年，他曾在山顶上和矿井下用测定摆的周期的方法做实验，企图找出物体的重量随离地心距离而变化的关系，但没有得出结果，在1674年的一次演讲“证明地球周年运动的尝试”中，他提出要在一致的力学原则的基础上建立一个宇宙学说，为此提出了以下三个假设：“第一，据我们在地球上的观察可知，一切天体都具有倾向其中心的吸引力，它不仅吸引其本身各部分，并且还吸引其作用范围内的其他天体。因此，不仅太阳和月亮对地球的形状和运动发生影响，而且地球对太阳和月亮同样也有影响，连水星、金星、火星和木星对地球的运动都有影响。第二，凡是正在作简单直线运动的任何天体，在没有受到其他作用力使其沿着椭圆轨道、圆周或复杂的曲线运动之前，它将继续保持直线运动不变。第三，受到吸引力作用的物体，越靠近吸引中心，其吸引力也越大。至于此力在什么程度上依赖于距离的问题，在实验中我还未解决。一旦知道了这一关系，天文学家就很容易解决天体运动的规律了。”
胡克首先使用了“万有引力”这个词。他在这里提出的这三条假设，实际上已包含了有关万有引力的一切问题，所缺乏的只是定量的表述和论证。但是，胡克缺乏深厚的数学基础和敏捷的逻辑思维能力。他错误的认为，目前需要的是更加准确的实验数据，而没有想到精确的测量结果已经包含在了开普勒的实验记录中。
1680年1月6日，胡克在给的一封信中，提出了引力反比于距离的平方的猜测，并问道，如果是这样，行星的轨道将是什么形状。1684年，在胡克和爱德蒙·哈雷、克里斯多夫·伦恩等人的一次聚会中，又提出了推动这一研究的问题。伦恩提出了一笔奖金，条件是要在两个月内完成这样的证明：从平方反比关系得到椭圆轨道的结果。胡克声言他已完成了这一证明，但他要等待别人的努力都失败后才肯把自己的证明公布出来。哈雷经过反复思考，最后于1684年8月专程到剑桥大学向当时已有些名望的牛顿求教。牛顿说他早已完成了这一证明，但当时没有找到这份手稿；在1684年底牛顿将重新做出的证明寄给了哈雷。在哈雷的热情劝告和资助下，1687年，牛顿出版了他的名著《自然哲学之数学原理》，公布了他的研究成果。
从《原理》中可以看出，牛顿首先是从猜测和直觉开始他关于引力的思考的。他看到，在地面上很高的地方，重力并没有明显的减弱，那么它是否也可以到达月球呢？如果月球也受到重力的作用，就可能是这个原因使它保持着球绕地球的轨道运动。
牛顿指出，月球可以由于重力或者其他力的作用，使它偏离直线运动而偏向地球，形成绕转运动，“如果没有这样一种力的作用，月球就不能保持在它的轨道上运行。”但是，迫使月球作轨道运动的向心力与地面上物体所受的重力到底是否有同一本质呢？在《原理》中，牛顿提出了一个思想实验，设想有一个小月球很靠近地球，以至于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处所受的重力。这时如果小月球突然失去了运动，它就如同山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，这是与我们的经验不符合的。可见重物的重力和月球的向心力，必然是出于同一个原因。因此使月球保持在它轨道的力就是我们通常为重力的那个力。
进一步深入，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，如果物体所受的力指向一点而且遵从平方反比关系，则物体的轨道是圆锥曲线——椭圆，抛物线或双曲线，这就推广了开普勒的结论。在原理中牛顿同磁力作用相类比，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。
