南怀仁出生于比利时首都布鲁塞尔，1641年9月29日入耶稣会，1658年随他卫匡国神父来华，是清初最有影响的来华传教士之一，是汤若望的学生之一，协助汤若望工作。1664年，由于杨光先和四名辅政大臣的发难诬告，使汤若望和其他传教士，并整个天主教受到迫害。1669年清帝降旨开释南怀仁、利类思和安文思。但汤若望已于三年前（1666年）去世，其他传教士仍流放在广东。自此开始逐渐复职。著令南怀仁任钦天监一职。皇谕公布：天主教教义教规曾被不公正地查禁，今查明并无违反国家利益庶民职守之道。为此，凡被逐教士可回原堂从事本职。谕旨并为汤若望公开平反昭雪，恢复原赐荣衔，又拨巨款为其修建坟墓。这道谕旨在1671年颁布。 1675年，南怀仁又作出了为人称誉的业绩。当时吴三桂叛乱，并挫败清军。因吴三桂叛军盘踞山区，非大炮就无法进攻。南怀仁当时把汤若望所铸火炮修复。除此之外，南怀仁从事于其他有利国计民生的大量工程：如开掘运河，疏通河道。在从事繁重的科研工作的同时，他从不忽视宣传信仰方面的本职任务。
虽然西方传教士实不愿制造这些杀人利器，但帝命不敢违，不得已勉为其难。所以火炮铸成后，均行祝圣礼，供天主像，以教中圣人名号刻其上，并向教宗报告，得到教宗的许可。 由史料记载可知，南怀仁在1674-1676年间，制造轻巧木炮及红衣铜炮共132门，1681年制成神威将军炮240门，后来，又制成红衣大炮53门，武成永固大将军炮61门，神功将军炮80门。因此，南怀仁造炮数量至少为566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“神功军”炮。 为表彰南怀仁造炮有功，康熙二十一年四月初十日（1682年5月16日），奉旨加南怀仁工部右侍郎职衔、又加一级。 南怀仁制造的火炮，至今犹存。在北京的中国历史博物馆，就藏有一门武成永固大将军炮。 南怀仁对清代火炮技术发展的另一重大贡献，是对火炮的“准炮之法”进行了系统研究，并写成专著。康熙二十一年（1682）正月二十七日，南怀仁进呈《神威图说》一书。这部著作主要论述神威将军炮的“准绳之法”，“阐明其所以然，逐备二十六题之理论，四十四图之解说，并加数端同类之用法”。
康熙八年，南怀仁撰《历法不得已辨》，逐条驳斥杨光先、吴明炫在历法推算方面的错误。针对中国传统的观象占候、堪舆占卜等观念，这一年他还撰著了《妄推吉凶之辨》、《妄占辨》和《妄择辨》。 南怀仁供职钦天监后做的一件大事是改造观象台，重造适用于西洋新法的天文仪器。康熙八年（1669）八月着手，经过四年多努力，于康熙十二年（1673）用铜铸成六件大型天文仪器，安装在北京观象台上，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（又名象限仪），测定两个天体间角距离的纪限仪和表演天象的天体仪，这些仪器取代了深仪和简仪等传统仪器。南怀仁主要参考第谷的设计，同时吸收中国和造型艺术，将欧洲的机械加工工艺和中国的铸造工艺结合起来，实现他的设计。这些仪器在中国历史上是先进的。 南怀仁后来还制造过简平仪、地平半圆日晷仪等多种天文仪器，并著有《赤道南北两总星图》（1672）和《简平规总星图》（1674）等。 南怀仁设计监制的仪器，典雅精美，它们不仅是观测天象的仪器，而且也是瑰丽的艺术品，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。 在制造和安装观象台新仪器的同时，南怀仁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。他于康熙十三年正月二十九日（1674年3月6日）将《新制灵台仪象志》共十六卷进呈，并请镂版刊行。乾隆年间，《新制灵台仪象志》被收入《钦定仪象考成》（1752）；又被收入《古今图书集成·历象汇编·历法典·仪象部》，但有图无表。
在南怀仁完成了观象台仪器的改造之后，他又接到了了清廷的新命令，——预推未来一两千年的历表。 康熙十七年七月，《康熙永年历法》三十二卷编撰完成。南怀仁将汤若望天顺治二年十二月所著诸历及二百年恒星表，相继预推到数千年之后。《康熙永年历法》实际上是一部天文表。它分为八个部分——日、月、火星、水星、木星、金星、土星、以及交食，每一部分名四卷。各部分的开始给出一些基本数据，然后给出某一天体二千年的星历表。根据这些星历表，就可以很容易地编出民历。清代，由于平叛战争、抵抗外敌侵略和统一中国的需要，康熙年间曾大量制造火炮。自康熙十四年至六十年（1675-1721），清政府制造各类火炮达905门之多。无论在造炮的规模、数量和种类方面，还是在制炮的技术和火炮的性能方面，都达到了清代火炮发展的最高水平。而南怀仁则对此做出了巨大的贡献。 南怀仁与利类思和安文思合著的《御览西方要纪》，是一部地理学著