在建国门外立交桥西南角，伫立着一座高台式的古建筑，它就北京古观象台。它始建于明正统七年（1442年），是明清时期的皇家天文台。如今，台顶上依然陈列着铸造于清代的八件大型青铜天文仪器，其中有六件是康熙年间的比利时传教士南怀仁监督制造的。这些天文仪器，在造型、花纹以及工艺等方面极具中国传统特色，而刻度、结构等方面，又体现了西欧的天文成果，它们也成为东西文化历史交流的见证。
南怀仁，1623年出生于比利时首都布鲁塞尔，1641年在比利时入耶稣会。1658年他随卫匡国神父来华，最初在陕西传教。顺治十七年（1660年），南怀仁奉诏入京，成为钦天监监正、德国传教士汤若望的助手。后来，他成为康熙皇帝的科学启蒙老师，他擅长机械制造，精通天文历法，懂兵器，是清初最有影响的传教士之一。南怀仁还有《康熙永年历法》、《坤舆图说》、《西方要记》等著作，为近代西方科学知识在中国的传播做出了重要贡献。1688年南怀仁去世，他在中国生活了近三十年。南怀仁去世后，康熙皇帝赐予谥号“勤敏”。在当时的传教士中，在死后被皇帝赐予谥号的，仅南怀仁一人。
南怀仁进入京城的最初几年，经历却颇为坎坷。清初顺治年间，清廷采用传教士汤若望制定的《西洋新法历书》，但遭到杨光先等人的激烈反对。
康熙执政初期，杨光先依仗四名辅政大臣的势力，对天主教和西洋历法发难。杨光先写下《辟邪论》等文章对西洋历法加以驳斥，并屡次上书，谎称汤若望等意图谋反。康熙三年（1664年）9月，鳌拜发旨，判汤若望、南怀仁等人入狱，西洋历法被废，杨光先任钦天监监正。
南怀仁与汤若望等传教士被困狱中六个多月，当时的南怀仁不顾个人安危，为已经中风瘫痪的汤若望辩护。恰巧，那段时间京师一连几天地震好几次，有大臣认为这是“上天示警”，于是在1665年4月，释放了南怀仁等人。南怀仁出狱后，“急往刑部狱，为汤若望等解罪”。
这年7月，汤若望被赦免，南怀仁、利类思、安文思等人留京，其他传教士押往广州监禁。1667年，康熙皇帝临朝亲政。此时，离汤若望去世已过去了一年。而这时，钦天监依据旧历编制的历书差错逐渐显现出来，南怀仁上疏指出，旧历中不合天象之处较多。康熙帝下令实地观测正午日影长度加以验证。这年的12月27日至29日，一连三天，南怀仁测验正午时刻日影，而三次观测结果，日影均合南怀仁所画之界。这个结果让康熙对杨光先不再信任。于是康熙下令，让钦天监监副吴明烜把他推算的康熙八年的历法给南怀仁验看。第二年初，南怀仁订正了历法中春分和秋分的一些误差。
康熙八年（1669年），南怀仁负责推算康熙九年的历法。修正历法后，康熙帝授予南怀仁钦天监监副的职衔，但南怀仁两次上疏辞官，康熙最终不授其职，但“仍以监副给俸”。这年8月，南怀仁请求为当年的历法案平反。最终，汤若望以及受此案牵连的官员得以昭雪，康熙皇帝还对南堂和东堂进行了修缮。
在此期间，南怀仁做的一件大事就是改造观象台的天文仪器。天文仪器作为观测天象不可或缺的工具，在节气历法推算上起着重要作用。可是，当时测定天体位置的浑仪和简仪以及测量日影长度的圭表等仪器因年代久远，需要修理校验。
南怀仁决定制作适用于西洋新法的天文仪器，他主要参考了丹麦天文学家第谷（1546-1601）的设计原理，同时吸收中国的造型艺术，将欧洲的机械加工工艺和中国的铸造工艺结合起来。他先指导工匠用木头按每一种仪器的实际尺寸制出模型，在确认无误后，再用青铜浇铸。浇铸的零部件还需经过切削加工、校正等多道工序，最后才配装。
从1669年着手，经过四年多努力，1673年，在南怀仁的监督下，铸成六件大型天文仪器，并安装在观象台上，它们是：测定天体黄道坐标的黄道经纬仪，测定天体赤道坐标的赤道经纬仪，测定天体地平坐标的地平经仪和地平纬仪，测定两个天体间角距离的纪限仪和演示天体运行的天体仪。
尽管当时还未引进欧洲的望远镜技术，但是这些仪器较传统的天文仪器在精度上都有很大提升。利用这些仪器，中国的天文学家进行了长达200多年的观测工作。南怀仁设计监制的仪器，典雅精美，不仅是观测天象的仪器，也是瑰丽的艺术品，它们作为中西科学交流的历史见证，至今仍陈列在北京古观象台。
当年，为了帮助中国官员熟悉使用这些仪器，在制造和安装观象台新仪器的同时，南怀仁还将各种仪器的制造原理、安装和使用方法等，详细记述，绘图立说。康熙十三年（1674年），他将16卷《灵台仪象志》进呈康熙皇帝。
值得一提的是，南怀仁在平定藩镇叛乱方面对清朝也有很大的贡献。康熙十二年（1673年），镇守云南的吴三桂发动叛乱，不久，耿精忠和尚之信也起兵相应，为了平定藩镇叛乱，康熙皇帝决定改进武器装备，让南怀仁制造轻便的火炮。虽然西方传教士实不愿制造这些杀人利器，但康熙皇帝令他制造出一批轻型火炮，皇帝之命不可违，南怀仁设计了一种轻型火炮，除了炮筒等必要部件，炮身多用木头。
当火炮铸成后，南怀仁等人均行祝圣礼，并向教宗报告，得到教宗的许可后方能使用。康熙十四年，南怀仁与大臣们到卢沟桥测试，用这种轻型火炮连放100发，结果90发命中靶心。
除此之外，南怀仁还制造了著名的红衣大炮。据史料记载，南怀仁在1674年至1676年间，制造轻巧木炮及红衣铜炮共130多门。1681年，又制成神威将军炮240门，后来，还制成红衣大炮53门，武成永固大将军炮61门，神功将军炮80门。南怀仁所设计的火炮有三种被选入清代国家典籍——《钦定大清会典》。其一是“神威将军”炮，其二是“武成永固大将军”炮，其三是“神功将军”炮。为表彰南怀仁的功绩，1682年，康熙授南怀仁工部右侍郎职衔。
南怀仁不仅对中国天文历学的发展、火炮的铸造有非常大的功劳，而且在开阔中国人对世界的视野方面也有很大贡献。
南怀仁曾编撰了数种地理学著作、绘制了数种地图，它们成为17世纪地理学和地图学在中国发展的标志。其中最具代表性的就是1674年刊刻的《坤舆全图》及《坤舆图说》。
《坤舆全图》是中国古代中文版世界地图的集大成者，是近代以来第一份两半球式比较完整的世界地图。
《坤舆图说》分为两卷，是为解说《坤舆全图》而作，上卷为自然地理常识，下卷的内容，多为人文地理方面，其中还有关于五大洲的记述。南怀仁的《坤舆全图》与利玛窦的《坤舆万国全图》一样，是来华传教士绘制的比较有影响力的世界地图。
因为对于地理研究以及测量的精通，南怀仁还主持过京郊万泉河的疏浚以及京城内外牌楼街道的测量工作。
1688年南怀仁去世后，被安葬于西郊马尾沟的利玛窦和汤若望墓旁（今西城区车公庄大街北京市委党校院内）。