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传教会给他的任务是研究中国的语言文字与儒家学说，数理天文学以及传教工作只是附带的。他在北京见习了四年，在钦天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《远镜说》，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小教堂，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小国的使团，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(n)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《远镜说》刊印。成为传播光学和望远镜制造技术的奠基性著作，对后世有重要影响。
1630(崇祯三年)，由礼部尚书徐光启疏荐，回京供职于钦天监，译著历书，推步天文，制作仪器。同时，利用向太监讲解天文的机会，在宫中传播天主教，受洗入教的有御马监太监庞天寿等。汤若望在历局期间，还同中国学者合作翻译了德国矿冶学家阿格里科拉(ola)于1550年撰写的论述16世纪欧洲开采、冶金技术的巨著"矿冶全书"(XII)，中译本定名为"坤舆格致"。
1634(崇祯七年)，协助徐光启、李天经编成《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著作。
1636(崇祯九年)，汤奉旨设厂铸炮，两年中铸造大炮20门。
1638年，为谋取天主教在各省的合法地位，奏请崇祯赐"钦褒天学"四字，制匾分送各地天主堂悬挂。
1644(清朝顺治元年)，清军进入北京，明亡。汤若望以其天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天仪、地平晷、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，终于说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天下。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》，颁行天下。
顺治元年十一月，命掌钦天监事。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天主堂侧重建教堂。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，即钦天监监正。
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。当时顺治帝因得天花，而当时朝廷中只有汤若望一人知道天花如果流行会造成什么样的后果，于是他就说一定要找一位得过天花的皇子来继王位，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天算错误，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;邪说惑众;历法荒谬。
康熙三年九月二十六日，清廷"会审汤若望，以及钦天监官员，翌年三月十六日，廷议将钦天监监正汤若望，刻漏科杜如预，五官挈壶正杨弘量，历科李祖白，春官正宋可成，秋官正宋发，冬官正朱光显，中官正刘有泰等皆凌迟处死。已故刘有庆子刘必远，贾良琦子贾文郁，宋可成子宋哲，李祖白子李实，汤若望义子潘尽孝俱斩立决。"
后因京师地震，汤若望遇赦，只杀了李祖白等5名钦天监官员，"时宪历"亦遭废止。杨光先乃出任钦天监正，吴明煊(明炫之弟)为监副，"复用大统旧术"。行之数年，误差日大。持新法之比利时传教士南怀仁等与持旧法之杨光先等交争不已，康熙七年(1668)十一月，特派员察勘两造实际观测，证明新法优于旧法。杨光先被革职，任南怀仁为钦天监副，于康熙九年(1670)复行时宪历。经过这场斗争，新法终于战胜旧法。
1666年8月15日(康熙五年七月十五)，汤若望病死于寓所。1669年(康熙八年)十一月十六日，康熙又发布了对汤若望的祭文:"皇帝谕祭原任通政使司通政使，加二级又加一级，掌钦天监印务事，故汤若望之灵曰:鞠躬尽瘁，臣子之芳踪。恤死报勤，国家之盛典。尔汤若望，来自西域，晓习天文，特畀象历之司，爰锡通微教师之号。遽尔长逝，朕用悼焉。特加因恤，遣官致祭。呜呼，聿垂不朽之荣，庶享匪躬之报。尔有所知，尚克歆享。"
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