康熙是从一场天文争论中开始对西学逐渐感兴趣的。顺治当政时，曾经采用以西法修订的《时宪历》，这项措施引起了保守派的不满，群臣皆是上书反对。康熙三年（1664）十一月，掌控大权的鳌拜集团下令逮捕了担任钦天监正的德国传教士汤若望，同时被捕的还有其助手外国传教士南怀仁等。恰巧在此时京师上空出现了一颗彗星，彗星在古代被称为扫把星，是不祥的征兆，彗星之后，出现了一场席卷全城的沙尘暴，整个刑部大院堆满了沙尘。
看到了彗星出现和沙尘暴等种种不祥之兆，刑部想要迅速处理此案，于是决定令南怀仁等在狱中从牢窗小孔计算下一次日食的时间，并令华人、回人以各自方法同时计算，准备比较一下到底是哪一种计算方式比较准确。当时，中国天算家的预告是：两点十五分出现日偏食。阿拉伯天算家的预告是：两点三十分出现日偏食。耶稣会神甫的预告：三点出现日全食。听到三种不同的预测结果，朝内的重要官员们表示非常好奇，他们齐聚在观象台上，都想弄清在中国天算家、阿拉伯天算家和欧洲天算家所使用的三种天文计算方式中，究竟哪一种天文计算方式更加先进？
天空中的影子越来越大，逐渐遮盖了整个太阳，正好在三点钟的时候发生了日全食，欧洲的神甫胜利了！欧洲神甫们发出的预报正是日全食，而其他学派发出的预告都是日偏食，大统历和回历的预报结果都是错误的，而欧洲神甫们的说法显然才是正确的。于是，康熙祖母孝庄太皇太后亲自出面干涉，以汤若望是先帝信任之臣为理由，命令鳌拜集团释放汤若望等人。
康熙在此次事件中对于西学产生了很大的兴趣。后来，传教士南怀仁等应诏觐见。康熙在处理政务繁忙的时候，会抽出一些闲暇时间来和他们讨论问题。欧洲传教士们向康熙讲授了很多先进科学，他们用汉语或满语向康熙讲解主要天文仪器、数学仪器的用法，讲解几何学、静力学、天文学、化学、医学、解剖学、地理学、药理学，乃至拉丁文、西方乐理乐器、欧洲哲学、西洋绘画等多方面的学科技术。
康熙对西学表现出了极其浓厚的兴趣，他认真听讲，不断地反复练习，甚至亲手绘图认真地学习西学的精髓。传教士们对于康熙皇帝学习西学的专注精神惊叹不已，一些传教士在日记中记录道：“康熙当着朝廷大臣的面，把我们教给他的几何学和各种学科都做了实际应用和当场演示，皇帝告诉我们说，他已仔细阅读过我们所提供的讲义，并且，为了向我们表明他已懂得这些原理，他便用我们的图例，亲自实践，并且在我们面前做了一般的演算。康熙皇帝学习态度十分认真严谨，他使用数学方法对一堆谷物先作一番计算，然后再加丈量，最后对比函数表求得之积是否与丈量的结果相等。他阅读了我们用鞑靼文写出的各种定律，并且命令我们解释给他听，皇上在透彻理解了这些定律之后，把我们所讲的定律亲自动笔写了一遍，这些默写的定律竟与我们的口授相符。”由此可见，康熙对于西学学习的认真和重视的程度。
康熙对自然科学有着浓厚的兴趣，他酷爱数学，他曾经下令将已被利玛窦译成汉文的《几何原理》翻译成满文，将传教士进讲法国数学家巴蒂《理论与应用几何学》的满文讲义翻译成汉文。他甚至亲自为这两本书撰写序文，亲自参加了审校，亲自验证了两本书之间的差别，并且将这些书发行全国。康熙对于运算方面有着极其独到的能力，他打得一手好算盘，比西法运算还快。他多次向学臣、后为著名数学家的陈厚耀等讲解西洋数学知识，并亲自将几何原理传授给了他所钟爱的皇子。
康熙三十一年（1692），他在紫禁城金銮宝殿当着群臣的面，用所学的数学知识验算太极图等。康熙将数学与天文学结合在一起，他测算正午日影所到之处，然后命人取日晷表放于乾清门外、太阳地中，等待自己的运算结果的验证。结果群臣候至正午，果见日影与康熙所作标志处互相吻合，顿时，群臣山呼万岁，对于康熙的数学运算能力佩服得五体投地。
通过西学的系统化的学习，他还掌握了比例规、大半圆仪、照准仪、象限仪、水平仪、罗盘仪、天文钟等仪器的操作方法，并且细心地从事这些研究工作。他对于天文学的仪器操作和使用完全熟练，他甚至命人将一些精妙的天文仪器搬进他的内室，经常用它们观测各种行星和星系。六次南巡，康熙沿途亲自用水平仪测量湖河水位和山地距离等，并且迅速收集第一手勘探资料，并将用数学计算河水流量的方法教给河臣。康熙所学的西学在战争中发挥了巨大的作用，在平定准噶尔之战中，康熙登高用望远镜观察地形，指挥军队争先占据军事要地，抢夺了战争先机，从而获取了战争的最后胜利。
康熙在平定噶尔丹叛乱之后，深深感到地图对于军队作战的重要性，因此，康熙决定请传教士雷孝思等人和一批中国学者参加研究绘制了第一部详细的全国地图，绘制过程中采用的是当时世界上最先进的西方经纬度测绘方法。
二百年后，著名科技史学家李约瑟博士对这张地图进行了高度评价，称它是亚洲当时所有地图中最好的一幅，而且比当时所有的欧洲地图更好更精确。
康熙对于气象研究十分重视，他曾亲自组织了大规模的气象研究工作，并收集了各地的气象观察资料，这些资料成为今天气象史研究的宝贵财富。
康熙十分重视地质地貌的勘探研究，在康熙的六次南巡和三次西征的过程中，他均是亲自调查研究当地地形、地貌并且收集资料作出了极其详细的记录。
在这些记录中，有用仪器测量一些地区方位、高低、远近的具体地理情况；也有沙漠发现“螺蚌甲”的资料，从而做出了该地曾经是海洋的推论；还有对于地质中发现的化石的详细描述等。
康熙可以说是中国近代自然科学的先驱者追求者，堪称当时自然科学的专家，然而令人遗憾的是，康熙没有将西学发扬推广运用到社会中，只是闭门造车，在皇宫中研究着他的个人兴趣爱好，这也使得整个中国的近代化比欧洲列国要晚了两三百年的时光。
