Denne boken er hans viktigste bidrag til fysikken, og den bygger på oppdagelser gjort 30 år tidligere. De to «nye» vitenskaper var materialers fasthet og bruddstyrke, og bevegelseslære. Her la han frem sine teorier innen bevegelseslæren og viste til eksperimenter. Boken innbefatter loven om legemer i fritt fall og beregning av prosjektilbaner. Det teoretiske grunnlaget bygger for en stor del på studier gjort av matematikere og naturfilosofer fra 1200-tallet og utover (se over). I boken viste han hvordan teorier kan bevises ved en kombinasjon av kontrollerte eksperimenter og brilliante argumenter. Med denne boken dannet han en sammenhengende helhet i bevegelseslæren.