南怀仁在华期间，撰写了多部宗教类书籍，宣扬天主教教义、教规和宗教仪式等。主要有：

《教要序论》一卷（1670），分目六十二篇，以浅显明白的文字概述天主教，是南怀仁宗教作品中最重要的一本，多次刊刻重印，直到1930年代仍有刊印，并有方言版、法文、满文、日文译本。

《善亚报略论》一卷（1670），共八章，以问答体裁解释人世的善恶赏罚问题。

《告解原义》一卷（1673）,解释有关告解的性质与重要性等。

《圣体答疑》一卷（1673），解答关于圣餐的问题。

《道学家传》一卷（1686）,关于天主教的史实，以及来华传教士的名录、传略。

此外，他还撰著了《天主教丧礼问答》；与利类思合作编撰了《圣教日课》。

南怀仁设计监制了黄道经纬仪、赤道经纬仪、地平经纬仪、纪限仪和天体仪等适用于西洋新法的天文仪器。至今，这些仪器作为中西科学交流的历史见证，仍陈列在北京古观象台。著有《新制灵台仪象志》、《康熙永年历法》、《欧洲天文学》等。《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。在书中，南怀仁反复强调，在各个领域应用欧洲科学所取得成就，是整个传教团在中国赖以生存的基础。

三藩之乱时，南怀仁奉命监铸大炮。他设计的“神威将军”炮、“武成永固大将军”和“神功军”炮被选入清代国家典籍——《钦定大清会典》。中国历史博物馆现藏有一门南怀仁制造的武成永固大将军炮。

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《神威图说》、《形性之理推》。

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。这些著作主要有：

《御览西方要纪

南怀仁是康熙皇帝的科学老师，曾经在长达五个月的一段时间里，从早到晚给皇帝讲授几何学和天文学，还将《几何原本》译成满文，陪同皇帝出巡，沿途为皇帝观天测地。康熙皇帝后来对自然科学的浓厚兴趣，对欧洲传教士的宽容态度，应该说都与南怀仁不无关系。南怀仁1688年去世。康熙皇帝亲自撰写祭文：“尔南怀仁，秉心质朴，四野淹通。来华既协灵台之掌，复储武库之需……可谓莅来惟精，奉职费懈者矣。遽闻溘逝，深切悼伤。追念成劳，易名勤敏。”康熙此谕，用满汉两种文字刻在南怀仁碑碑阴，碑阳用汉文和拉丁文镌刻。迄今为止，用三种文字刻写碑文实属少见。康熙皇帝为他举行隆重葬礼，并赐谥号“勤敏”。在明清之际来华而后来客死中国的传教士中，南怀仁是唯一一位身后得到谥号的。