明朝末期，資本主義萌芽促使人們對科學技術產生新的要求。1595 年和 1610 年明朝政府兩次試圖改曆但都沒能實現，然而改革曆法的主張受到人們的重視，就在這個時候，歐洲耶穌會傳教士來到中國。他們了解到中國對新知識的追求，便采取了學術傳教的方針。
鄭和像早期來華傳教的有意大利人利瑪竇，他曾多次向歐洲報告中國對天文知識的強烈需求。在他的影響和請求下，後來來華的耶穌會傳教士大都懂得一些天文學知識，有些甚至受過專門的訓練。他們介紹的歐洲天文學知識受到當時進步知識分子的歡迎，這些知識分子對此還加以翻譯和介紹。早期出版的有關歐洲天文學知識的著作有：《渾蓋通憲圖說》、《簡平儀說》、《表度說》、《天問略》、《遠鏡說》等。這些著作多數是介紹歐洲的天文儀器。“渾蓋通憲”和“簡平儀”都是一種星盤，“表度”是西方的日晷，“遠鏡”則是伽利略式的望遠鏡。在《天問略》一書中，介紹了托勒密地心體係的十二重天和伽利略用望遠鏡觀測到的一些嶄新結果。其中除了《渾蓋通憲圖說》一書是李之藻自己親自撰寫之外，其他都是耶穌會傳教士在中國學者的協助下寫成的。
日晷中國學者除了翻譯和介紹歐洲天文知識外，還向耶穌會傳教士學習了歐洲天文學的計算方法。因此，萬曆三十八年，徐光啟用西法成功地預報了這一年十一月朔的日食。經觀測證明，這個預報比較準確，因而引起人們對西法的注意。
崇禎二年五月乙酉朔日食，欽天監並未預測到此次日食，明朝政府決心改曆，命令徐光啟在北京宣武門內組成100多人的曆局，聘請耶穌會傳教士鄧玉函、羅雅穀、湯若望等參加編譯工作，經過5年的努力，成書137卷，命名曰《崇禎曆書》。
《崇禎曆書》與中國古代天文學體係最顯著的不同有以下幾個方麵：采用第穀的宇宙體係和幾何學的計算係統；引入地球和地理經緯度概念；應用球麵三角學；采用歐洲通行的度量單位，分圓周為360度，分1日為96刻24小時，度和時以下采用60進位製。
康熙《崇禎曆書》於 1634 年編成後，沒有來得及頒行。1644 年，清軍入關後，湯若望把這部書刪改壓縮成103卷，更名為《西洋新法曆書》，進呈清政府。清政府任命湯若望為欽天監監正，用“西洋新法”編算下一年的民用曆書，命名為《時憲曆》。從此以後，除了在康熙三年到七年因楊光先的控告，湯若望被軟禁時期外，直至道光六年為止，清政府都聘用歐洲傳教士主持欽天監，有時還同時任用二三個傳教士。這些欽天監做的主要工作有以下3項：康熙八年到十二年，南懷仁負責製造了6件大型第穀式古典儀器，並編寫了一部說明書，即《靈台儀象誌》。康熙六十一年，在修改《西洋新法曆書》的基礎上，編成《曆象考成》一書。乾隆七年編成《曆象考成後編》10卷，第一次應用了開普勒行星運動第一、第二定律，但是在橢圓焦點上的是地球而不是太陽。乾隆十七年，編成《儀象考成》32卷，所列星表收星3083顆。道光年間，傳教士離開以後，中國天文工作者對《儀象考成》星表重新進行了測量，於道光二十四年編成《儀象考成續編》32卷，收星3240顆。
清政府除組織欽天監主編天文學圖書以外，在康熙和乾隆年間還組織過兩次大規模的測量工作。康熙四十七年到五十七年間進行的一次測量工作，在全國測量了630多個地方的經緯度，建立了以北京為中心的經緯網；決定以工部營造尺為標準，定1800尺為1裏，200裏合地球經線1度，這種使長度單位與地經線1度的弧聯係起來的方法，在世界上是一個創舉，比法國製憲會議關於以地球經圈的1/40000000弧長為1米的決定早80年。在這次測量中還發現地球的經緯不相等，地球可能是橢圓的，這是世界上第一次通過實地測量獲得地球為橢球體的資料。
在清代還活躍著一批民間天文學家，他們采取嚴肅的治學態度，無論是對於中國古代的東西還是外國的東西都細心鑽研，有所批判，有所發展，在中西天文學的融合上做出了重要的貢獻。這些天文學家中最著名的有薛鳳祚、王錫闡、梅文鼎，他們在翻譯西方天文學著作的基礎上，著有《曆學會通》等10餘種書，除介紹一般理論外，還係統地、詳盡地介紹了各種計算天體運動的方法。為了計算方便，他把60進位製改成10進位製，為此重新編出三角函數等數學用表。