Jabarkan Château de Cirey dari Voltaire

Pada 1733, Voltaire bertemu Emilie du Châtelet (Marquise du Châtelet), seorang matematikawan dan ibu dari tiga anak, yang 12 tahun lebih muda darinya. Voltaire berselingkuh dengannya selama 16 tahun. Untuk menghindari penangkapan setelah penerbitan Lettres philosophiques, Voltaire berlindung di istana suaminya di Cirey di perbatasan Champagne dan Lorraine. Voltaire membayar renovasi gedung, dan suami Émilie terkadang tinggal di château bersama istrinya dan Voltaire.  Mereka mengumpulkan sekitar 21.000 buku, jumlah yang sangat besar untuk saat itu. Bersama-sama, mereka mempelajari buku-buku ini dan melakukan eksperimen ilmiah di Cirey, termasuk upaya untuk menentukan sifat api.

Setelah belajar dari pengalaman sebelumnya dengan pihak berwenang, Voltaire mengubah kebiasaannya dengan menghindari konfrontasi terbuka dengan pihak berwenang. Dia terus menulis drama, seperti Mérope (atau La Mérope française ) dan memulai penelitian panjangnya tentang sains dan sejarah. Sekali lagi, sumber inspirasi utama untuk Voltaire adalah tahun-tahun pengasingannya di Inggris, tempat ia sangat dipengaruhi oleh karya-karya Isaac Newton. Voltaire sangat percaya pada teori Newton; dia melakukan eksperimen dalam optik di Cirey, dan merupakan salah satu penyebar cerita terkenal inspirasi Newton dari apel yang jatuh, yang dia pelajari dari keponakan Newton di London. Cerita apel yang jatuh ini pertama kali disebutkan dalam Lettres philosophiques.

Pada musim gugur 1735, Voltaire dikunjungi oleh Francesco Algarotti yang sedang mempersiapkan sebuah buku tentang Newton dalam bahasa Italia. Karena terinspirasi oleh kunjungan tersebut, Marquise menerjemahkan Principia Latin Newton ke dalam bahasa Prancis yang tetap menjadi versi Prancis definitif hingga abad ke-21. Marquise dan Voltaire juga ingin tahu tentang filosofi Gottfried Leibniz, seorang kontemporer dan saingan Newton. Sementara Voltaire tetap menjadi Newtonian yang teguh, Marquise mengadopsi aspek-aspek tertentu dari kritik Leibniz. Buku Voltaire sendiri Elements of the Philosophy of Newton membuat ilmuwan hebat itu dapat diakses oleh publik yang jauh lebih besar, dan Marquise menulis ulasannya di Journal des savants. Karya Voltaire berperan penting dalam diterimanya teori optik dan gravitasi Newton di Prancis yang berbeda dengan teori Descartes.

Voltaire dan Marquise juga mempelajari sejarah, khususnya para kontributor besar peradaban. Esai kedua Voltaire dalam bahasa Inggris adalah "Essay on the Civil Wars in France". Esai ini diikuti oleh La Henriade, sebuah puisi epik tentang Raja Prancis Henri IV yang memuji upayanya untuk mengakhiri pembantaian Katolik-Protestan dengan Edict of Nantes dan menetapkan toleransi beragama. Selanjutnya Voltaire juga menulis novel sejarah tentang Raja Charles XII dari Swedia. Karya ini bersama dengan Letters on the English menandai awal dari kritik terbuka Voltaire terhadap intoleransi agama dan dogma agama-agama yang mapan. Voltaire dan Marquise juga mempelajari filsafat, khususnya pertanyaan metafisik mengenai keberadaan Tuhan dan jiwa. Voltaire dan Marquise menganalisis Alkitab dan menyimpulkan bahwa sebagian besar isinya meragukan. Pandangan kritis Voltaire tentang agama menyebabkan keyakinannya pada pemisahan gereja dan negara dan kebebasan beragama, ide-ide yang ia bentuk setelah ia tinggal di Inggris.

Pada bulan Agustus 1736, Frederick Agung, yang kemudian menjadi Putra Mahkota Prusia dan pengagum Voltaire, mulai berkorespondensi dengan Voltaire. Pada bulan Desember itu, Voltaire pindah ke Belanda selama dua bulan dan berkenalan dengan ilmuwan Herman Boerhaave dan 's Gravesande. Dari pertengahan 1739 hingga pertengahan 1740, Voltaire tinggal di Brussel, mula-mula dengan Marquise, yang tidak berhasil mengurus kasus hukum keluarga berusia 60 tahun mengenai kepemilikan dua perkebunan di Limburg. Pada bulan Juli 1740, ia melakukan perjalanan ke Den Haag atas nama Frederick sebagai upaya untuk mencegah penerbit yang kurang dapat dipercaya, van Duren, menerbitkan tanpa izin karya Frederick Anti-Machiavel. Pada bulan September Voltaire dan Frederick (sekarang Raja) bertemu untuk pertama kalinya di Kastil Moyland dekat Kleve dan pada bulan November Voltaire adalah tamu Frederick di Berlin selama dua minggu, diikuti dengan pertemuan pada bulan September 1742 di Aix-la- kapel. Voltaire dikirim ke istana Frederick pada tahun 1743 oleh pemerintah Prancis sebagai utusan dan mata-mata untuk mengukur niat militer Frederick dalam Perang Suksesi Austria.

Meskipun sangat berkomitmen untuk Marquise, pada tahun 1744 Voltaire menganggap kehidupan di château sangat mengurungnya. Pada kunjungan ke Paris tahun itu, dia menemukan cinta baru—keponakannya. Pada awalnya, ketertarikannya pada Marie Louise Mignot jelas bersifat seksual sebagaimana ditunjukkan oleh surat-suratnya kepadanya (baru ditemukan pada tahun 1957). Jauh setelah itu, mereka hidup bersama, kemungkinan secara platonis, dan tetap bersama sampai kematian Voltaire. Sementara itu, Marquise juga mempunyai kekasih baru, Marquis de Saint-Lambert.