天主教是基督教教派之一。它与东正教、新教并称基督教三大教派。亦称“公教”、“罗马公教”、“加力特教”。传入中国后，因借用中国本土文化之意，民众所崇奉之神为“天主”，故在中国称为“天主教”。天主教何时传入中国，专家学者看法分歧。虽有部分或始于唐代的考据，但终究在当时未成气候，伴随着各种原因随朝代一起消失。据记载元朝时，门头沟的后桑峪村在1294年就曾来过两个外国传教士，1334年在几间民房里建立了北京第一座天主教堂。天主教真正进入中国本土社会，拥有广大教众应在明朝。利玛窦可称为明末将天主教正式传入中国之第一人。
罗明坚及利玛窦于1582年抵达澳门后，复潜入广东肇庆。为掩人耳目，他们换上和尚法衣，对中国官员自称来自“天竺”，致使中国人以为他们是佛教徒。利玛窦解释来中国的原因：“我们是从遥远的西方而来的教士，因为仰慕中国，希望可以留下，至死在这里侍奉天主。”他不敢直接表明传教的意图，否则可能会被驱逐。他们讲授西洋科学，让人参观所藏西书、仪器，吸引了不少民众。后来，利玛窦来到南昌、南京等地活动，他逐渐体会到中国社会重视儒学，乃改穿儒服，以西方学者姿态出现。
明万历二十三年，利玛窦借口为一位北上任职官员之子治病，而荻得了去南京的机会。但是到了南京以后，利玛窦陪同的官员对他逐渐失去了兴趣，利玛窦只好自己设法留在南京。然而这一次他失败了。他只好折返南昌，并获得批准在此居住。1596年，利玛窦成功地预测了一次日食，使他很快成为了知名人物，期间结交了许多儒士权贵，并受到建安王的热情款待。他在写给耶稣会的报告中解释了自己出名的理由：一是因为当地从没有见过外国人；二是利玛窦的记忆力非常好，以至于许多中国人都想学习，他也因此用汉语写了一本名为《西国记法》的书来介绍他的记忆方法；三是他能够运用“四书五经”来宣讲基督教的教义；四是他的自然科学知识；五是传说他会炼金术；六是有人向他求教基督教。另外在这一年利玛窦为了练习用汉语写文章，写了一部谈论友情的著作《交友论》而意外地获得士人的欣赏。1596年利玛窦被任命为耶稣会中国教区的负责人，由利玛窦全权负责在中国的传教活动。以后，利玛窦开始策划北京之行。但当时正值日本侵犯朝鲜，爆发万历援朝之役，利玛窦作为外国人无法在北京久留，而且又遇到了财政上的困难，仅住一个多月便只好离开，再度来到南京。
在南京居住期间，利玛窦通过瞿太素的帮助，结交了不少名士，如南京礼部侍郎叶向高、思想家李贽、徐光启等，当然这主要还是由于人们对于他的自然科学知识的倾慕。值得一提的是，利玛窦在南京还与一位三淮和尚（即大报恩寺僧雪浪）进行了一场辩论，在这次辩论中，利玛窦凭借其科学性的思辨明显占了上风。他还在正阳门（今光华门）内洪武岗西崇礼街（今尚书巷）建成内地第四座天主教堂，他在城西罗寺转湾的住址后来也成为著名的天主教堂——石鼓路天主教堂。这些活动使南京成为中国天主教史上最重要的传教中心之一。
明万历二十八年（1600年），利玛窦带着庞迪我神父和准备好献给皇帝的礼物再度赴京，并于1601年抵达北京。进呈自鸣钟、《圣经》、《万国图志》、大西洋琴等方物，得明神宗信任。同年，明神宗下诏允许利玛窦等人长居北京。但中国的朝廷根本没有注意到，利玛窦长住北京的目的是为了传播天主教。之后利玛窦在北京以丰富的东西方学识，结交中国的士大夫。常与宾客谈论天主、灵魂、天堂、地狱。同时编撰新书，包括以中文写成的《二十五言》等，得到不少中国知识分子的尊重。到了1605年，北京已有两百人信奉天主教，当中有数名更是公卿大臣。这当中最著名的，也是后来影响最大的是进士出身的翰林徐光启以及李之藻、杨廷筠等人。利玛窦于公元1609年创立“天主教圣母会”，最后于1610年病卒北京。
利玛窦开晚明士大夫学习西学之风气。由明万历至清顺治年间，一共有一百五十余种的西方书籍翻译成中文。利玛窦撰写的《天主实录》以及和徐光启等人翻译的欧几里得《几何原本》等书不仅带给中国许多先进的科学知识和哲学思想，而且许多中文词汇，例如点、线、面、平面、曲线、曲面、直角、钝角、锐角、垂线、平行线、对角线、三角形、四边形、多边形、圆、圆心、外切、几何、星期等词汇就是由他们创造并沿用至今。利玛窦制作的世界地图《坤舆万国全图》是中国历史上第一个世界地图，在中国先后被刻印十二次。而且问世后不久，在江户时代前期就被介绍到了日本。该地图使得日本人传统的崇拜中国的“慕夏”观念因此发生根本性的变化。对日本地理学的发展，有着很重要的影响。北极、南极、地中海、日本海等词汇皆出于此地图。至今，日本仍称17世纪至18世纪的地图为利玛窦系地图。
继利玛窦之后，德国传教士汤若望也来到中国传教，并和当时朝廷保持密切关系。汤若望早年在意大利学习数学、物理、神学和天文学，1618年前往中国传教，1620年到达澳门，在那里学习中文。1623年进京。他在北京宫廷将伽利略的《远镜说》和德国矿冶学家阿格里科拉论述欧洲开采和冶金技术的巨著《矿冶全书》（中译名《坤舆格致》）译成中文。1627年被派往陕西管理教务。1630年经徐光启推荐，汤若望奉召第二次来到北京，接替刚刚去世的传教士邓玉函任职历局，协助徐光启编修《崇祯历书》，并受明朝朝廷命令制造火炮。完成了测算日食和月食的《交食说》，后被御封为钦天监监正，官居一品。
1644年清兵入关占领北京，需要颁布新的历法，以汤若望的《西洋新法历书》为基础编制的《时宪历》获得颁行。汤若望深得清朝摄政王多尔衮和顺治帝的信任，顺治十二年（1655年）受封为通政使，晋一品，封赠三代。顺治皇帝死后，小皇帝康熙登基。辅政大臣鳌拜反对西洋学说，康熙三年（1664年）发生“历案”，汤若望被判凌迟死刑。康熙四年（1665年），京师地震，免死羁狱，获孝庄太皇太后特旨释放。康熙五年（1666年）病死。康熙八年（1669年），康熙给汤若望平反。他在北京古观象台观测天象并编撰历书的工作室、在天主教南堂的居所以及他的墓地均保存至今，供游人参观。他和其他六十位外国科学家、画家和传教士同葬的北京滕公栅栏墓地，位于车公庄北京行政学院内。