1641年，十八岁进了耶稣会神学院。他曾有五年之久任文学和修辞学教师。他因传教心切，两次从西班牙赴美洲，均未如愿。1657年，他的长上派遣他随同卫匡国神父去大明。抵达澳门不久，于1659年发愿改过。
1659年，他先是被派去陕西，和李方西神父共同工作。后于1660年被调往北京帮助年事已高，出任钦天监监正的汤若望神父从事历算工作。
1664年，由于杨光先和四名辅政大臣的发难诬告，使汤若望和其他传教士，并整个天主教受到迫害。时汤若望因身患瘫痪，说话困难，且身系桎梏，跪地受审，已无力为自己申辩。南怀仁寸步不离，不辞自身的艰险为这位难友在森严的大堂上代为辩护。
当时在京的四位神父都被脚镣手铐，投入大牢达六个月之久，其中南怀仁神父因年轻力壮，所戴镣铐更为沉重。他们几乎每天被提审，然后再被投入大牢。在狱中，他们除祈祷外，又为前来探监的众多教友听神工，鼓励他们坚守圣道，忍受磨难，并讲述圣教初期的教难事迹。
1669年清帝降旨开释南怀仁、利类思和安文思。但汤若望已于三年前去世，其他传教士仍流放在广东。自此开始逐渐复职。著令南怀仁任钦天监一职。
1675年，南怀仁又作出了为人称誉的业绩。当时吴三桂叛乱，并挫败清军。因吴三桂叛军盘踞山区，非大炮就无法进攻。南怀仁当时把汤若望所铸火炮修复。除此之外，南怀仁从事于其他有利国计民生的大量工程:如开掘运河，疏通河道。在从事繁重的科研工作的同时，他从不忽视宣传信仰方面的本职任务。
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。16年，领受终傅圣事之后，安逝于主怀，享年六十五岁。安葬在北京。谥勤敏。
南怀仁死后，中国历史对他的评价是，南怀仁和利玛窦、汤若望两位神父有着很多相似之处:对科学有很深造诣，对传教事业有高度热情，以及其他操守方面的优良品德。对当时信仰基督还处在初始阶段的中国来说，在传教事业的迫切需要上，除了利、汤两位神父外，几乎再无别人能比南怀仁更重要了。
可是，现在听着汤若望口中，介绍的这个南怀仁，首先年龄上就对不上。天启皇帝或者说是魏卫，他穿越前学的历史里，所记载的南怀仁是公元1623年，也就是天启三年才出生的。现在由于魏卫穿越成了天启皇帝，延续了大明天启朝的寿命，现在是天启八年十一月十五，也就是说，现在的南怀仁应该只有五岁才对。
可汤若望介绍的南怀仁，生于公元1587年，也就是大明万历十五年。这样算来，汤若望嘴里说的这个南怀仁，现在应该已经有三十二岁了。虽然有蝴蝶效应这个穿越传说，但是，传说始终是传说，天启皇帝心里不敢断定，汤若望推荐的这个南怀仁，是不是后世历史记载里的哪个南怀仁？？
不过，天启皇帝转念一想，不管，汤若望向自己推荐的这个南怀仁，是不是自己熟知的那个南怀仁？其实都不要紧，既然汤若望推荐他，想必也是有一定的才华。还是那句话，只要有才华，大明朝就应该收纳之。
想到这里，天启皇帝下旨道：“着天津卫总兵毛文龙，接旨后，立即寻找南怀仁。找到后，即刻派兵护送至北京。钦此！”