由于彼时到海外传教的热潮，当他听说将增派传教士去东方“远征”时，就静不下心来读书了，未及完成学业（数年之后他才在印度完成神学课晋铎），他就要参与其中。耶稣会会长恩准他前往洛雷图圣殿参拜，好在途经马切拉塔时与亲人告别。但他急切之极，放弃了见父母的机会，也许他当时没有想到，这原本会是他和父母的最后一面。1578年，他们一行14人在里斯本启程，往远东而去。接下来的那些年，他过着一种带有《圣经》事迹色彩的生活，孤独地穿行在无数异教徒中。现在，身在中国的利玛窦争取每年给家人写一两封信。尽管他常常写两份，分别经由葡属印度果阿和菲律宾马尼拉两条路线发送，这些信件还是时常遗失，或者由于疏忽，或者由于海难，或者由于海盗的劫掠。所以后来他渐渐习惯以6-7年为一个时间周期（从发信至收到回信）。这样的情形自然会影响到他写信的动力。1594年，他从韶州写信给一位朋友说，如此漫长的往复不仅意味着形势的变化会使得信件内容失去意义，“而且，……我时常想，我写了那么多关于这里生活的长信，收信人却说不定早已不在人世。”最富有戏剧性的正是关于亲人的消息。1593年，利玛窦写信给父亲时已有15年不知道双亲的音讯了（他们只是在15年前利玛窦从里斯本出发后给他发了封信）：“要是不那么麻烦的话，我就能知道家里的近况和你们是否依然健在，那我会是多么快乐啊！”3年后，他从意大利的一位密友处获知双亲去世的噩耗，连着做了好几次弥撒表达哀悼。但这个他无法求证的消息并不确切。1605年，利玛窦又震惊地获知父亲仍然健在，兴奋难抑，他马上写了封极其热忱的家信，并概述了自己这些年来在中国传教的主要成就。结尾处他写道：“我不知道这封信究竟会是在地球上找到你们呢还是在天堂：但无论如何我都要给你们写信。”真的是在天堂。当这封信抵达马切拉塔时，父亲乔万尼·利奇已经过世了；而当报告这一千真万确之死讯的信回到他所在的中国，利玛窦本人也已经死了。开荒与播种1595年6月，利玛窦被迫离开南京。他不想再回到广东去。自1583年抵达肇庆算起，他在广东呆了12年，却只付洗教徒100余人。除了某些开明官员，从一开始，那里的百姓、儒生、多数官吏就对他们的到来抱有敌意。
他们肇庆的住所为当地官员所夺取，韶州的房子几次遭到暴徒破坏和劫掠。在此期间，两位协助他的传教士去世了。最初引领他进入中国的罗明坚则被上司范礼安派去罗马说服教廷吁请大明皇帝允许自由地传教。罗明坚再也没能返回中国。4任教宗相继在不长的时间内去世使他在罗马一事无成。他只好留在了意大利，直到生命的终点（1607年）。现在，出乎意料的是，他在南昌的一切进展得异常顺利。因为瞿太素的先期铺垫和名医王继楼的引介，他结识了南昌的诸多官员和士人，还在宴会上认识了皇亲建安王和乐安王。当地著名学者、白鹿书院的院长章潢也很看重他。他的交际圈迅速扩展，江西巡抚陆万垓和他会面后也盛情邀请他留在南昌。此后拜访他的人与日俱增，以致他白天忙得没时间读祈祷书，只能在夜里补上。有些拜访者是冲他的“炼金术”来的。这一声名早在他来之前就在南昌传播开了。他越是向他们保1592年的夏天，一群中国书生袭击了利玛窦在韶州的住所，他从窗口跳出时扭了脚。澳门的大夫们无法治愈他的腿伤，使他从此落下残疾。这位虔诚的耶稣会传教士在中国前后居住了27年，他的传教事业也是一瘸一拐的，一只脚拖着失望，另一只脚拖着希望。
在中西文明交流史上，传教士是一群被忽视、更多的时候被脸谱化的一个群体，而事实上，撇开宗教意义上的执着，他们确乎在科学技术上的传播上起到了至关重要的作用。从晚明到清朝中期，先后有500多位耶稣会教士来到中国，中国人从他们那里学会了大炮铸造术、历法、地理、算术、天文、代数、绘画、建筑和音乐。同时，教士们也将中华文明介绍到了欧洲，比如，把孔子哲学翻译成了意大利文，教会了英国人饮茶，让整个欧洲王室疯狂地喜欢上了中国的瓷器和丝绸。
最早到达中国的耶稣会传教士是范礼安，他于1577年抵达了澳门，接着他委派两位意大利籍教士进入中国内地传教，他们是罗明坚和利玛窦。
罗明坚和利玛窦于1583年定居于广东肇庆，他们改传中式服装，学习汉语，采用中国式的行为规范。他们首要的目的不是争取信徒，而是为基督教争取一个在中国社会中被接受的地位。
利玛窦在肇庆和韶州住了十五年，在南昌和南京住了五年，在士大夫名流中结识了很多朋友。在很多人的眼里，他首先是一位喜爱中国文化的外国人，以及著名的算术、天文学者以及世界地图绘制者，最后才是一个天主教传教士。
利玛窦画过两张世界地图——《坤舆万国全图》，从中可以读出他善于妥协的智慧。
在第一张地图上，美洲和亚洲分别被画在图的左右，欧洲居于中间，很显然，这是一个严重的失误，它挑战了中国乃“中央之国”的概念，看到这张地图的中国人没有一个表示喜欢和认可。利玛窦很快改正了“错误”，他知道地球是圆的――而不是中国人所坚信的是方的，中国在地图的哪个方位仅仅是视角的不同而已，他改而把中国画在了地图的中间。情形马上有了改观，有人将此图献给了万历皇帝，万历非常喜欢，吩咐钦天监用丝线织出，放进屏风里。
在赢得了相当的民间知名度后，利玛窦赶到北京，想要直接拜见万历皇帝，他结交、奉承太监，进献了很多礼品，其中包括耶稣画像、十字架、报时钟和望远镜等等。他最终没有能够见到万历，不过却被恩准在北京居住。在这里，他结识了不少达官贵人，也发展了一些皈依者，其中最著名的是翰林院学士、后来当过内阁大学士的徐光启（1562－1633）。
徐光启是松江府上海县人，出身于商人家庭，1593年，屡试不中的徐光启南下到广东韶州当教师，在这里，他第一次接触到了耶稣教士，正是从这些人口中，他第一次听说地球是圆的，有个叫麦哲伦的西洋人乘船绕地球环行了一周；还第一次听说意大利科学家伽利略制造了天文望远镜，能清楚地观测天上星体的运行，他还第一次见到一幅世界地图，惊奇地发现在中国之外竟还有那么大的一个世界。
所有这些，对于一位从小读“四书五经”长大的上海书生来说，实在是闻所未闻的新鲜事。不过，徐光启并没有视之为异端邪说，在他所处的时代，中国的经济总量占全世界的三分之一，欧洲十四国的经济总量之和约占四分之一，无论在经济还是在心态上，明朝人都不可能有自卑感，就如同欧洲人羡慕中国的印刷术和瓷器一样，徐光启也对来自异域的一切充满了好奇，他对当时的学风很不以为然，认为“空疏之学”无济于世，而西方知识则为他打开了另外一扇窗口。他得知耶稣会的会长是一个叫利玛窦的大胡子，便四处打听他的踪迹，两人见面是在1600年的南京，三年后，徐光启接受洗礼，全家加入了天主教，他的教名是保禄。又过了一年，徐光启考中进士，从此步入仕途。
徐光启是一个才华横溢的人，在农业、数学、天文和军事上都有很深的造诣，而很多知识正来自于利玛窦等耶稣教士。
在京为官期间，他向利玛窦学习西方数学知识。中国古代数学源远流长，汉代有《周髀算经》和《九章算术》，宋元时期达到发展的高峰，但进入明朝之后，宋元数学后继无人，竟至衰废。徐光启对此至为焦虑，他说：“算术之学在近代数百年中被彻底荒废，原因有两个，一是儒生都去谈名理之学，没人关心实务，二是算术被神秘化，都用来算命卜卦。”利玛窦教徐光启的教材是希腊数学家欧几里得的《原本》，1607年，他们合力译出了这部著作的前六卷，徐建议把书名译成《几何原本》，“几何”一词从此诞生，在这本书中，他们还定命了众多数学概念，比如“平行线”、“三角形”、“对角”、“直角”、“锐角”、“钝角”、“相似”等等。徐光启毕生热衷于翻译工作，在他看来，“欲求超胜，必先会通。会通之前，必先翻译。”
利玛窦在1610年就去世了，徐光启与耶稣会的关系却从未断绝。1612年，他与传教士熊三拔合译《泰西水法》，书中介绍了西洋的水利工程作法和各种水利机械。1613年，因为庇护传教活动及与其他官员的朝见不合，徐光启辞职，在天津置地从事农业试验，他做了大量的笔记，日后写成《农政全书》，这是一部百科全书式的农学巨著。
1629年，徐光启受命组建历局，主编《崇祯历书》，该书凡137卷，引进大量的欧洲古典天文学知识，构筑了此后200多年间中国的官方天文学体系，汤若望（日耳曼人）、罗雅谷(葡萄牙人)、龙华民(意大利人)等传教士先后参与了编制工作。
徐光启晚年深受崇祯信任，被任命为礼部尚书，在他的努力下，一直被压抑的耶稣会渐渐进入了主流社会，很多有学问的传教士为朝廷服务，行走于朝堂之上，其中最出名的是汤若望（1592－1666）。跟利玛窦一样，汤若望是一位狂热的、受过良好科学训练的传教士，他在协助徐光启完成《崇祯历书》的同时，还翻译了德国矿冶学家阿格里科拉的《矿冶全书》，中译本定名为《坤舆格致》。后来，他受命以西法督造战炮，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，由中国学者整理成《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。明灭清兴之后，汤若望仍然得到重用，被任命为国家天文台的台长（钦天监监正），受封“通玄教师”，年轻的顺治帝非常信任汤若望，称他为“法玛”（老爷爷），1656年到1657年的两年里，顺治曾二十四次到汤若望的住所登门请教，甚至在那里度过了自己的19岁生日。
从利玛窦进入中国，到汤若望去世，前后八十余年，在西方传教士和徐光启等人努力下，天主教得到了较广泛的普及，众多的西方科学知识也在知识阶层得到认可和应用。这是中西方历史上的第一次“知识大交易”。可惜的是，进入康熙朝后，汤若望遭到中国官员攻击，他本人侥幸逃过处罚，而与他一起参与天文工作的传教士则大多被处死。
在中国科技史上，如何看待明末清初的这场中西科技“蜜月”，一直是一个有重大分歧的课题。李约瑟认为这是一场中国式的科学革命，“西方与东方的数学、天文学、物理学一旦发生接触就很快结合。到了明末即公元1644年，中国与欧洲的数学、天文学和物理学之间已经再也没有任何可觉察的分别，它们已经完全熔结，它们融合了。”而持反对意见的学者则反问说，“如果这真是一场革命，那么，为何利玛窦等耶稣会传教士所传入的西方科学没有触发中国科学更剧烈、更根本的巨变？”
利玛窦和汤若望均葬于北京阜成门外，两墓前后相望，古木拱卫。徐光启去世后回葬于家乡上海，他在法华泾一带曾建家庭农庄，从事农业实验并著书立说，其后裔在此繁衍生息，渐成集镇，得名为“徐家汇”。