1623年1月25日到达北京。汤若望到北京后，仿效当年的利玛窦，将他从欧洲带来的数理算书籍列好目录，呈送朝廷。又将带来的科学仪器在住所内一一陈列，请中国官员们前来参观。汤若望以他的数理文学知识得到朝廷官员们的赏识。他到北京不久，就成功地预测了1623年10月8日出现的月食。
1624年9月，他又准确地预测了月食。还用了一种罗马关于月食计算的方法，计算了北京子午圈与罗马子午圈的距离。为此，他写了两篇关于日食的论文，印刷分赠给各官员并送呈给朝廷。
中国传教会给他的任务是研究中国的语言文字与儒家学，数理文学以及传教工作只是附带的。他在北京见习了四年，在钦监官员李祖白的帮助下，用中文写了一本介绍伽利略望远镜的《远镜》，第一个将欧洲的最新发明介绍给中国，在以后的历法改革中起了相当大的作用。
1627年，汤若望被派到西安接替金尼阁的传教工作。他在西安城内建立了一座教堂，除了开展宗教活动外，他始终坚持科学研究。他研究了从西安通向中亚、中东和欧洲的交通道路问题。为此，他不断向过往商人、到北京向中国朝廷进贡的附件国的使团，打听和记录他们行走的路线，经过的国名、地名、驿站名以及来往商品的名称、贸易状况等等。他据此写山详细的研究报名，寄往欧洲。他还花了不少时间考察了欧洲长期争论不休的契丹(Cathay，Khiton)和北部中国的关系问题，理清了在中国的北部并没有所谓契丹的地方。旧日所谓"汗巴利可城"是蒙古语对北京的称谓。在地图上应置于北纬40度，而竟置于50度以上，位置太靠北了。他这些观点和利玛窦是一致的。
1629年《远镜》刊印。成为传播光学和望远镜制造技术的奠基性着作，对后世有重要影响。
1630(崇祯三年)，由礼部尚书徐光启疏荐，回京供职于钦监，译着历书，推步文，制作仪器。同时，利用向太监讲解文的机会，在宫中传播主教，受洗入教的有御马监太监庞寿等。汤若望在历局期间，还同中国学者合作翻译谅国矿冶学家阿格里科拉(Georgius Agricola)于1550年撰写的论述16世纪欧洲开采、冶金技术的巨着"矿冶全书"(Dere Metallica Libri XII)，中译本定名为"坤舆格致"。
1634(崇祯七年)，协助徐光启、李经编成《崇祯历书》一百三十七卷。又受明廷之命以西法督造战炮，并口述有关大炮冶铸、制造、保管、运输、演放以及火药配制、炮弹制造等原理和技术，由焦勖整理成《火攻挈要》二卷和《火攻秘要》一卷，为当时介绍西洋火枪技术的权威着作。
1636(崇祯九年)，汤奉旨设厂铸炮，两年中铸造大炮20门。
1638年，为谋取主教在各省的合法地位，奏请崇祯赐"钦褒学"四字，制匾分送各地主堂悬挂。
1644(清朝顺治元年)，清军进入北京，明亡。汤若望以其文历法方面的学识和技能受到清廷的保护，受命继续修正历法。
汤若望多次向新统治者力陈新历之长，并适时进献了新制的舆地屏图和浑仪、地平辎望远镜等仪器，而且用西洋新法准确预测了1644(清朝顺治元年)农历八月初一丙辰日食时，初亏、食甚、复圆的时刻，终于服当时的摄政王多尔衮，决定从顺治二年开始，将其参与编纂的新历颁行下。他用西法修订的历书(就是《崇祯历书》的删节版)被清廷定名《时宪历》，颁行下。
顺治元年十一月，命掌钦监事。次年，他将《崇祯历书》压缩成《西洋新法历书》一百零三卷，进呈摄政王多尔衮，封太常寺少卿。
顺治七年，清政府赐地在宣武门内原主堂侧重建教堂。汤若望将利马窦建的一座经堂扩大，建成了北京城内的第一座大教堂(南堂)，此处成为汤若望等神父的起居地。汤若望工作的地点则是在北京建国门附近的古观象台。在古观象台工作的传教士有50多人，汤若望是其中最主要的传教士，还担任台长，即钦监监正。
顺治八年顺治帝亲政后，汤若望经常出入宫廷，对朝政得失多所建言，先后上奏章三百余封。顺治帝临终议立嗣皇，曾征求汤若望意见。当时顺治帝因得花，而当时朝廷中只有汤若望一人知道花如果流行会造成什么样的后果，于是他就一定要找一位得过花的皇子来继王位，于是便有了后来的康熙大帝。
中西历法之争，由来已久，吴明煊早在顺治十六年便上疏举报汤若望算错误，结果反落了个"诈不以实"的罪名，险些被判了死刑。顺治十五年(1658)汤若望受一品封典，耶稣会传教士影响因而扩大，一时各地教徒增至十万人，终于引起冲突。康熙三年(1664)，杨光先复上《请诛邪教状》，经议政王会议，翌年以数条罪名判处汤若望等人凌迟处斩。杨光先言汤若望等传教士有罪三条:潜谋造反;邪惑众;历法荒谬。
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