明代行用的曆法《大統歷》，實質上是元代《授時歷》的沿襲，行用已久，已經有很大的誤差。雖然不時有人提出改歷的建議，但一直未能實行。崇禎二年五月乙酉朔(公元1629年6月21日)日食，欽天監依據《大統歷》所作的預報又發生明顯的差錯，而徐光啟依據西方天文學方法進行的推算則相當準確，於是明朝廷決定由徐光啟負責改歷。
徐光啟設立的歷局，由李之藻、李天經等協助，聘請了耶穌會士龍華民(N.Longobardi)、龐迪峨(D.Pantoja)、熊三撥(S.de Ursis)、陽瑪諾(E.Diaz)、艾儒略(J.Aleni)、鄧玉函(J.Terrenze)、湯若望(J.A.S.von Bell)等參加編譯工作。整個工作自崇禎二年起，至崇禎七年(公元1634年)完成，其成果集中於《崇禎曆書》和為改革曆法所寫的各種奏疏中。徐光啟負責《崇禎曆書》的總編工作，他1633年去世後，由李天經負責。
《崇禎曆書》包括46種，137卷。全書計分節次六目和基本五目，前者將曆法分成日躔〔纏〕、恆星、月離、日月交會、五緯星和五星凌犯等六個部分；後者分法原(天文學理論)、法數(天文用表)、法算(天文學計算中必備的數學知識，主要是三角學和幾何學)、法器(測量儀器和計算工具)和會通(中西各種度量單位的換算表)等五個方面。其中「法原」有40餘卷，為全書之核心，不但論述了曆法本身的問題，而且著重闡述了天文學理論和計算方法。
這是一部比較全面系統介紹歐洲天文學知識的著作。書中大量引用了哥白尼《天體運行論》中的材料，基本上譯出了其中的八章，並譯用了哥白尼發表的27項觀測記錄的17項。書中介紹有伽利略關於太陽黑子在日面上運動的現象。書中引用有刻卜勒《論火星的運動》一書中的幾段材料。這些都是當時歐洲天文學的最新成果。同時，書中明確地引入了地球的概念，介紹了經緯度及其測定和計算方法。在推算日、月、五星的視位置等問題時，介紹了周日視差和蒙氣差的數值修正方法。在計算方法方面，介紹了球面和平面三角學。在座標系方面，介紹了黃道座標系。
但是，由於宗教的立場，書中採用的是丹麥天文學家第谷的宇宙體系，認為地球是宇宙的中心，日、月和恆星繞地球旋轉，五大行星繞太陽運行，而沒有介紹哥白尼的日心學說。在解釋日、月、五星的視運動時，採用的是本輪、均輪等一套小輪系統，而沒有介紹德國天文學家刻卜勒的行星運動三大定律。關於哥白尼的日心學說和刻卜勒的運動定律，直至1760年法國耶穌會士蔣友仁(P.Michael Benoist)向乾隆皇帝進獻世界地圖《坤輿全圖》時，方在說明文字中加以介紹，而傳入中國。
《崇禎曆書》編成後，因反對派的阻撓和明末的戰亂，終明之世未能正式頒行。1644年清軍進入北京後，湯若望對《崇禎曆書》進行刪改，壓縮成103卷，更名《西洋新法曆書》，進呈清朝廷。清朝廷予以採用，並把據此編製而成的曆法命名為《時憲歷》，予以頒行。湯若望亦被任命為欽天監監正，成為在中國主持天文曆法的第一個外國人。