南怀仁最着名的西文着作是《欧洲天文学》（Astronomia Eu-ropaea,1687）。其手稿由柏应理带到欧洲，于1687年以拉丁文在欧洲迪林根出版。 南怀仁博闻多能，深精西方科学知识。《欧洲天文学》一书的内容几乎涵盖了当时在中国介绍的西方所有科技知识。 在着作中多处引用《几何原本》中的命题，并将几何学方面的许多知识介绍到中国。在《仪象学》中，有多幅图表示了几何作图的知识。在介绍几何作图的同时，也介绍了西方当时使用的作图和测量工具。 在《仪象志》、（1674）和《穷理学》（1683）两部着作中，介绍了力学基础知识，包括重力、重量、重心、比重、浮力、材料强度、单摆、自由落体运动等知识。同时还介绍了光的折射和色散方面的知识。 南怀仁在《新制灵台仪象志》中，介绍了机械方面的许多知识。他的另一部未刊刻的着作《穷理学》也包含了关于简单机械的相当丰富的知识。《穷理学》于康熙二十二年八月二十六日（1683年10月16日）进呈，共60卷，是南怀仁最重要的一部着作，详细叙述了天平、等子、杠杆、滑车、圆轮和藤线等六种简单机械的性质、原理、计算和应用。并运用到实际中，1661年和汤若望一起利用定滑轮、动滑轮和滑轮组，在他们的指挥下，200名工匠齐心协力操作，终于将大钟移到了预定位置悬挂在钟楼里。还运用机械原理运送孝陵大石牌坊的石料过卢沟桥。还将《几何原本》译成满文。
南怀仁曾在中国与俄罗斯等国的外交接触中担任过不可缺少的角色。1676年5月15日（康熙十五年四月初三日），沙皇俄国派遣的特使尼果赖（1636～1708）等一行到达北京。这位使臣虽掌握希腊文、拉丁文等多种欧洲语言，却不通任何东方语言。通晓多种欧洲语言又精通满语与汉语的南怀仁成为此次中俄沟通的桥梁。南怀仁希望促其两国实现和平，缔结和约，虽然南怀仁1688年1月28日不幸去世。但是他的愿望被他的同会徐日升和张诚继承下来。 1689年6月，徐日升与张诚随同由索额图率领的中国外交使团去尼布楚。他们忠实地贯彻了南怀仁在中俄之间缔造和平的遗言，并用自己的智慧与能力帮助缔结了一个成功的和平条约。 中俄《尼布楚条约》是在平行互惠的国际法原则基础上缔结的。这项条约明确划定了中俄两国的东部边界。条约缔结后，中国的东北边疆保持了160年的安宁，俄国则获得了贸易利益。1692年康熙皇帝降旨准许天主教士在中国自由传教，从而实现了耶稣会士多年追求的目的。 1686年（康熙二十五年），南怀仁还为荷兰外交使团担任过一次翻译。
1676年，南怀仁被任命为耶稣会副省会长。他为人谦虚热诚，急人所急，不遗余力；但律己甚严，视世荣如敝屣，坚守神贫，苦身克己；他恪守修会职责，视富贵如浮云；南怀仁一直怀着为主致命的期望，他以高度的耐力承受了病中的剧烈痛苦。1688年，领受终傅圣事之后，安逝于主怀，享年六十五岁。安葬在利玛窦和汤若望的墓旁。
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