南怀仁于1674年（康熙十三年）完成了《坤舆全图》的绘制。
该图系木刻、着色，由两个半球图组成。东半球为亚洲、欧洲和非洲；西半球为北美洲和南美洲。半球图的直径为150厘米，即比例尺为1：1700万。整个地图分成八长幅（每幅约为180厘米＊50厘米），东西两半球各占三幅，头尾文字注记占二幅。
该图采用球极平面投影，这是在欧洲16世纪晚期和17世纪初期流行的地图绘制方法。图上经纬线均以十度划分。本初子午线通过顺天府，东、西半球线连续标度。纬度以赤道为零度，有南、北纬之分。图上还有南、北回归线和南、北极圈线。
《坤舆全图》的幅面很大，除主要部分表示各大洲（亚细亚洲、欧逻马洲、利未亚洲、亚墨利加洲、墨瓦蜡尼加洲，以及新阿兰地亚）之外，南怀仁在图的四周分布了14大段注记文字，解释自然现象，尤其是气象现象。
它们的标题分别为：论四元行、论南北极、地圆这研究、论地体之圆、论雨云、潮汐之理、论风、海潮、论气行、论海水之动、论地震、论人物、论江河、论山岳。
图上还有带注解和说明文字的地名，以及绘有欧洲不同类型的帆船、陆上和海中的珍奇动物几十种。
南怀仁在《坤舆全图》的注记文字中，宣传了自然地理方面的许多知识。
他解释了因地球是球体而具有的各种自然现象，因月球环绕地球运动而引起潮汐的周期性消长，雨和云系大气中水汽凝结而成，风和公海上影响航行的季风的成因，各地不同的气候状况导致了文化的地区性差异，以及江河的起源、山岳的形成、空气的运动等等。
南怀仁还批评了中国人对自然现象的迷信观念，如有关月食和地震的错误说法。
《坤舆全图》上注记内容与《坤舆图说》内容之间的关系，有许多是完全相同的，也有一些作了增删和修改。
南怀仁的《坤舆全图》与利玛窦的《坤舆万国全图》一样，是来华耶稣会士绘制的最具影响的世界地图。
南怀仁在地理学方面，除了编撰著作、绘制地图之外，还参与实际的勘测工作。
早在他制造天文仪器之前，他与其他传教士，就制作过一个测量路程的器具——里程计，于1669年4月4日（康熙八年三月四日）进呈皇帝。
1685年（康熙二十四年），南怀仁又制作过一具。于测量距离之外，他也注意到经纬度的测量。在《仪象志》卷三和《仪象图》图一О一、图一О二，南怀仁描述了在陆上和海上测量经纬度的方法。
南怀仁两次随驾巡幸各地期间，沿途进行天象观测以及各地北极高度的测量，其工作成为日后大规模的地图测绘工作的先导。
南怀仁还主持过京郊万泉河的疏浚、京城内外牌楼街道高低的测量等工作。
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