五九六年，法國當局任命利瑪竇為中國教區主教。一五九八年隨南京禮部尚書王忠銘至北京，欲向皇帝面獻貢禮，未果途中完成附拉丁字母拼音的漢字字彙表。萬曆二十七年（1599年）至南京。主張把孔孟之道及中國敬祖思想同天主教教義相融合，宣稱中國古書上的「天」或「上帝」即西方崇奉的「天主萬曆二十九年（1601年）再次到北京，向明神宗朱翊釣獻自鳴鐘、八音琴、三稜鏡、天主像、聖母像等。
萬曆皇帝朱翔鉤接見了他。能見到中國皇帝，是他的就有原望，也是其最高榮耀。萬曆帝允準他長駐北京傳教，在朝廷任職，賜給他俸祿利瑪竇定居北京後，許多人同他交朋友，而徐光啟與他最為密切。利瑪竇與徐光啟合作翻譯的《幾何原本》六卷，就是他們發誼的結晶。《幾何原本》一書是公元前三世紀大希臘著名數學家歐幾裡德所著，這是世界上最早的一部系統的幾何學著作，其嚴謹的邏輯推理的科學方法，對近代科學的發展產生了十分重大的影響，在歐洲文藝復興時期，曾重放異彩，堪稱自然科學上的顆明珠。
利瑪竇把翻譯《幾何原本》看成當務之急，由他口授，徐光啟筆譯，經過三易其稿，於萬曆三十五年（1607年）正式出版。《幾何原本》的翻譯並正式出版，使西方幾何學第一次傳到我國，對我國的幾何學發展起了十分重要作用。後來，兩人又合譯了《測量法》一書，將幾何學原理應用到測量學上、運用到水利工程和建築行業上。利瑪竇同李之藻合譯《渾蓋通憲圖說》。
當時，我國使用的大統歷已沿用二百餘年，差距很大。歐洲在一五七六年採用的格里曆（另一說是1582年始用），是一種更準確的曆法。萬曆二十八年（1600年）利瑪竇曾毛遂自薦，要為中國的曆法改革盡力，因種種原因，使其宏願未能實現。後來，由徐光啟主持修訂的《崇禎曆法》，就採用了利氏的先進知識和技術利瑪竇不僅擅長數學、天文學，對地理學也頗有研究。他親自繪製的《萬國輿圖》（又名《坤輿萬國全圖》），將地球分為東西兩半球，應用橢圓投影法繪製，並刻以經緯度。
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