康熙皇帝最初对自然科学重视，不是出于科学家那种对科学事业的热爱，而是由求治引起。治理国家，离不开社会科学，也离不开自然科学。他看到自然科学和农业、军事、治河、防治天灾及人体健康等有密切关系，就对相关学科的利用和发展，作出努力。
我国古代以农业为本，历朝都注重历书，经常组织专人修订，故尚能保持准确性。唯有时代《大统历》承用元代的《授时历》,“二百七十余年，未尝改宪”,至中叶以后，交食往往不验，测时误差达二三小时之多，推算节气常差一日。大学士徐光启等建议吸收西学，改进历法。崇祯皇帝予以采纳，命传教士汤若望入历局掌推算，修成《崇祯历书》一百三十余卷。但新历未及推行，明便灭亡。清定都北京后，摄政王多尔衮在顺治二年决定颁行汤若望制定的新历，定名《时宪历》,并将历局与钦天监合并，任用汤若望主持钦天监。这就引发了康熙年间聚讼纷纭的中西历法之争。
康熙初年，旧派人物新安卫官生杨光先反对汤若望及其新历法《时宪历》,辅臣予以支持，汤若望下台，杨光先任钦天监监正，吴明烜任监副，废除时宪历，恢复旧历法。康熙皇帝亲政后，关心历法，但对这一学术问题还没有判断是非的能力，只能发奋学习，以求真理。康熙七年(1668)十一月，他派人携带杨光先、吴明烜编造的康熙八年历书，去向治理历法的比利时传教士南怀仁征求意见。南怀仁劾奏这份历书“康熙八年闰十二月，应是康熙九年正月，又有一年两春分、两秋分种种差误”。康熙皇帝谕令杨光先、南怀仁“历法关系国家要务，尔等勿怀夙仇、各执己见”“务当平心考察，谁是谁非”,让他们进行辩论，各抒己见。但双方争持不下，没有结果。
于是，康熙皇帝决定通过实际测验来辨明直曲，命大学士图海、李爵等率两派人到观象台测验。翌年正月，测验立春、雨水、月亮、火星、木星，结果证明，“南怀仁所指，逐款皆符；吴明烜所称，逐款不合”。据此，议政王大臣会议提出，将康熙九年一应历日交南怀仁推算。康熙皇帝却要追根究底。议政王等遵旨调查详明后，康熙皇帝确认南怀仁的历法是科学的，杨光先盲目排斥西洋法，不修改历日差错，不称其职，才令将杨光先革职，任命南怀仁为钦天监监副，复用时宪历。康熙皇帝还支持他编制精确的历法，批准他的建议，将闰月由康熙八年十二月改在九年二月，节气，占候相应变动，后又提升南怀仁为监正，并委任他改造观象台仪器。至康熙十三年二月，钦造仪象成，并进呈《新制灵台仪象志》十三卷。康熙皇帝看过后十分满意，又“加南怀仁太常寺卿衔，仍治理历法”。此后南怀仁又续完了汤若望未竟之书《康熙永年历法》三十二卷。
康熙皇帝任用外国人，但不忘培养中国人，因为中国的科学事业主要靠中国人发展。他认为，天象关系重大，必得精通熟习之人乃可占验无误。因此，他一再谕令地方，认真选送“精通天文之人”到钦天监任职，并提高其社会地位，使之“与各部院衙门官员一体升转”。康熙十五年(1676),他谕令钦天监官员必须学习新法，说：“向者新法、旧法，是非争论。今既深知新法为是，尔衙门学习天文历法满洲官员，务令加意精勤。此后习熟之人方准升用，其未经学习者不准升用。”
康熙皇帝通过处理新旧历法之争，深感作为一国之君，在科学技术方面也应通晓，取得发言权。后来他对大臣们讲过当时的情景：“尔等惟知朕算术之精，却不知朕学算之故。朕幼时，钦天监汉官与西洋人不睦，互相参劾，几至大辟。杨光先、汤若望于午门外九卿前当面赌测日影，奈九卿中无一知其法者。朕思已不知，焉能断人之是非，因自愤而学焉?”最初向南怀仁、安多学习天文仪器的用法及算学知识，后来又向法国教士张诚和白晋学习欧几里德和阿基米德几何学。张诚、白晋曾学习九个月的满语，故能事先将教材译成满文，并用满语进讲。康熙皇帝屏息静听，反复思考，有时亲手绘图以证其理，并于次日进行复习，以免遗忘。如遇疑问，他必详加质询，直至明了为止。四五个月之后，他已基本掌握几何学原理，以至看到某个几何图形，便能立即指出证明方法及所引用的定律。
康熙皇帝还注意锻炼运算和操纵仪器的能力。当传教士以球体的比例进讲，他必潜心精算，此同一物质之球体，如何由其重量之差而求得其直径之差；或由其直径之差而求得其重量之差，“有时又将同样之圆筒形、圆锥形、楔形之比例或容积，反复试验之”。康熙皇帝的学习热情，深深地感动了两位传教士。《张诚日记》、白晋《康熙皇帝》两书中，细致地记述了康熙皇帝学习自然科学的情节和他们的感受。白晋说：“康熙皇帝令人难以置信地深切注意而且细心地从事这些研究工作。尽管这些原理中包含着极其复杂的问题，而且我们在进讲时，也不够注意礼节，但皇上从不感到厌烦”“当时他约束自己专心致意地听我们讲课的情形，是非常令人钦佩的”。有一天，皇上“谈到刻苦学习的问题时，他说对于刻苦学习科学知识，他从不感到苦恼”。白晋认为，“现在康熙皇帝渴望复兴灿烂的文化，而达到这一目的的最好方法，则是着手重视各种学问”。
最可贵的是，康熙皇帝不仅向洋人学习，而且还细心访求“隐沦”乡里的专家、学者。康熙四十一年，南巡至德州，因听说安徽宣城贡生梅文鼎对历算之学深有研究，便向大学士李光地索取梅先生著作，李光地以《历学疑问》三卷进呈。梅文鼎一生著书八十余种，都具有较高的科学价值。其中《古今历法通考》,博采中西历法之长，是我国第一部历学史专著。他说“历以敬授人时，何论中西?吾取其合天者从之而已”。他在数学方面的成就尤为突出，不仅能吸收西方数学的成就，还能“正其误”“补其缺”,提出不少新见解。送至康熙皇帝面前的《历学疑问》,是他采纳李光地的建议而撰写的简明易懂的概论性读物，其生平成就、观点在书内均有反映。康熙皇帝初读之后，即产生好感，认为“用力深”“甚细心”“议论亦公平”。之后又带回宫中仔细阅读，亲笔批注。康熙四十四年(1705),康熙第五次南巡，将梅文鼎召至御舟，“从容垂问，凡三日”,确认他实为当世“仅见”的杰出学者，可惜年老，不便任职令其效力，特赐御书扇幅及珍馔。临辞，又赐“绩学参微”四字匾额。
其实，康熙皇帝努力学习自然科学，是为了实际应用。当然，他所掌握的多数是一般知识，即使在几个方面有研究，与自然科学家的高深造诣也不能相比。历史赋予他的，不是科学家的任务，而是治理整个国家的使命。康熙皇帝的自然科学知识和研究成果，使他取得了领导科技事业的主动权，使他能用比较科学的态度驾驭科技事业。他一向主张不论中国的还是西方的历法，都要用科学实验证明其准确性。于是，他亲自用仪器在皇宫中测验，发现用西洋新法编制的历书，在日食推算上，也出现了误差；夏至的时间也有出入。于是，康熙皇帝在康熙五十年(1711)十月对大学士等说：“天文历法朕素留心。西洋历大端不误，但分刻度数之间，久而不能无差。今年夏至，钦天监奏闻午正三刻，朕细测日影是午初三刻九分。此虽稍有舛错，恐数十年后所差愈多也。……此事实有证验，非比书生作文，可以虚词塞责”。这是因为传教士们所采用的天体理论，并不是当时世界上最先进的哥白尼的日心说，而是丹麦天文学家第谷·布拉赫的天体运行论，后者系介于日心说与地心说之间的折中性宇宙理论。康熙皇帝的发现显然意义重大。康熙皇帝经过研究，于康熙五十三年(1714)四月明确指示：古历规模好，修历书可以用古历的规模、新历的数目，结合两者之长。此外，在兵器制造、地图测绘、治河等事业上，康熙皇帝也由于通晓自然科学规律，而取得了重要成就。
“三藩叛乱”后，依靠装备精良火器，盘踞在山水纵横、交通不便的湖广、江西、川陕等地，易守难攻。康熙皇帝仿效明朝任用传教士造炮的先例，在康熙十三年(1674)八月十九日降旨，令南怀仁“尽心竭力”,运用妙法制造便于携带的轻巧火炮。次年五月，炮成，康熙皇帝亲临芦沟桥炮场检验，见炮身小，火力强，命中率高，可放置骡马背上行军，完全合乎要求，他称赞说，“西洋炮甚利，且轻便易运”。此后大量生产，一年间，铸造了约三百五十门。该炮在平叛战争中发挥了重要作用，受到将士们的欢迎，称之为“得胜炮”。康熙二十年(1681),定名为“神威将军炮”,令继续制造三百二十门(实际造出二百四十门),武装八旗。南怀仁进呈《神威图说》一书，详述该炮之造法与用法。此外，他还让南怀仁制造其他型号火炮及修理旧炮。康熙皇帝为表彰他的功绩，加封为工部右侍郎。
康熙皇帝在重用传教士的同时，对我国自己的火器专家戴梓也极为重视。戴梓，浙江钱塘(杭州)人。他总结了旧铳(包括西洋火铳)的利弊而创制的连珠铳，形如琵琶，火药铅丸，皆储于铳脊，以机轮开闭，“凡二十八发乃重贮”,其构造原理与近代机关枪相似。康熙皇帝召见他，知其能文，试《春日早朝诗》,很满意，授翰林院侍讲，入直南书房，寻改直养心殿，与南怀仁及诸西洋人论不合，“咸忌之”。但是，康熙皇帝仍注意发挥他的专长。亲征噶尔丹时，令其造子母炮，“母送子出，坠地而裂”。康熙皇帝率诸臣亲自检阅，赐名“威远将军”,令镌制者职名于炮后。后因其通天文算法，令参与纂修《律吕正义》。
康熙二十二年(1683)八月初三，康熙下令各省地方官，“绘图送兵部，以备披览。至塞外地名，或为汉语所有，或为汉语所无，应察明编人《一统志》内”。但原来的地图因系用旧法绘制，总难免差误，“或山川经络不分，或州县方隅易位，自古至今，迄无定论”。原因是过去不了解大地是球形，故所绘之地图全是平面图，里程的计算也不能精确地反映地球表面的曲率。康熙皇帝学习天文、历算及几何知识，掌握了采用经纬度的精确测绘技术，便购置仪器，利用巡行、出兵之便，实地测量，为绘制新地图积累素材。在亲征噶尔丹的行军途中，他每到一地都亲自进行实地测量，以明确部队与京师的距离及其所在的方位。康熙三十五年(1696)四月，他在喀伦用仪器测量出北极高度比京师高五度，使写信告诉皇太子，“以此度之，里数乃一千二百五十里”。次年闰三月初五，在宁夏又以仪器进行测量，发现北极高度“较京师低一度二十分，东西相去二千一百五十里……自宁夏视京师，在正东而微北”。
康熙四十六年(1707),全国基本统一，政局日益安定，康熙皇帝决定委派耶稣会士雷孝思、白晋、杜德美及中国学者何国栋、明安图等人，开展大规模实地测量，以绘制一幅较为详细的中国地图。他们跋山涉水，走遍各省，运用当时最先进的经纬图法、三角测量法、梯形投影技术等，进行实地测量，历时十一载，至康熙五十七年(1718),绘制成著名的《康熙皇舆全览图》。这部地图集以铜版刊印，比例为一比一百四十万，前有总图，后有各省分图。除新疆外，其内十五省及关外满蒙之地，皆经准确测定，详细绘制，“关门塞口、海汛江防、村堡戍台、驿亭津镇，其间扼冲据险，环卫交通，荒远不遗，纤细毕载”。它是当时世界地理学的最高成就，不但是亚洲当时所有的地图中最好的一幅，而且比当时所有的欧洲地图都更好、更精确。康熙皇帝为这部地图“费三十余年心力”,告成之后，甚感满意，令九卿细看详核之后，降旨颁发各省。
在修治黄河、淮河、永定河、子牙河等项工程中，康熙皇帝曾利用所学技术，多次亲自勘察地形、测量水文，提出有益的建议。例如，康熙三十八年(1699)三月初，康熙第三次南巡行至苏北高邮，亲自用水平测量，发现运河比高邮湖水，高四尺八寸，立即指示河道总督于成龙：“着差贤能官员，作速查验修筑”。因为河水高于湖面，逆流入湖，湖水无所出，容易冲决堤岸，造成水灾。康熙皇帝既已掌握科学的测量和制图方法，也就能用科学的标准检查臣下的工作。从而推动科学技术的运用。康熙三十九年(1700)春，原任何道总督王新命，以修理永定河绘图呈览。康熙看后，批评说：“此图曲折阔狭与河形不符。如一百八十丈为一里，或以尺为丈，或以寸为丈，更或以分厘为丈尺，量其远近，按尺寸绘之，方与河形相符，一览了然。今尔此图皆意度为之，未见明确，着另绘图呈览。”康熙四十六年(1707),他南巡苏北，视察了溜淮套工程，沿途察看，见所立标杆错杂，对专责河工的地方官提出了批评。康熙皇帝之所以能作如此具体的指导，与亲自掌握一定的科学技术、做过科学实验是密不可分的。
在仪器方面，固然西方仪器制造精巧，但数量有限，除传教士奉献数件之外，康熙皇帝谕令广东等沿海督抚买进一些，但仍远远不能满足需要。所以，他安排能工巧匠，综合中国原有仪器及西洋仪器之长，制造新的仪器。为绘制《康熙皇舆全览图》所进行的全国范围大测量，所用大多为国产仪器。康熙五十三年(1714),礼部议复钦天监监正明图等人奏疏之内即曾提到“近差官员人等，用御制新仪，测量各省及口外北极高度、经纬度数，精详更胜旧图”。
康熙皇帝最反对“所学既浅”而专图利事应酬，“立心不善”的庸医，认为行医必须有“济世存心”“不务名利”“不分贵贱”“治人之病如己之病”的医德；并有“推术奥妙，研究深微”的钻研精神和手到病除的医术。他对江湖术士的长生不老、返老还童的灵丹妙药等骗人把戏嗤之以鼻，而对医学科学，不论是中医、中药，还是西医、西药，他都相信并略有研究。康熙三十二年(1693),康熙皇帝患疟疹，多方医治无效。传教士张诚、白晋用奎宁治愈。从此，康熙皇帝用西医治病，并推广奎宁，在宫内设立实验室，供传教士制西药用。所制西药除御用外，康熙皇帝还经常赐给臣下。有时，他亲自给官员问病开方，既用中药，也用西药。他还令人特制一些药壶、药瓶，里面装入西药，随时赐予病人。在当时天花流行，死亡率很高。康熙皇帝得到种牛痘的药方，在宫内使用，效果良好。于是令推广，边外四十九旗及喀尔喀蒙古也种牛痘，“初种时年老人尚以为怪”,康熙皇帝“坚意为之”,终于收效很大。解剖学书籍在明末传入中国。康熙令法国传教士巴多明将法国人皮理的《人体解剖学》译成满文，后又用汉文译出两部。在封建礼教束缚下的中国，仔细解剖与说明人体，不容易通得过。一方面，康熙皇帝要了解这门学问，态度比较开明，对巴多明说：“身体上虽任何微小部分，必须详加逸译，不可有缺。朕所以不惮麻烦，命卿等详译此书者，缘此书一出，必大有造于社会，人之生命或可挽救不少”;另一方面，他也不肯大肆传播，书译出后，只藏于宫内，未出版问世。
尽管如此，康熙皇帝受时代的限制，对自然科学的重视和提倡还只限于当时他感到最需要、而今天看来太嫌窄小的范围内。但他在实践中看到了自然科学的重要性，也朦朦胧胧地意识到了自然科学的明天。于是，他选拔一些他认为有培养前途的人，尤其是年轻人，集中到宫中进行培养。为了传续梅文鼎的家学，“命其孙珏成入内廷学习”。李光地推荐苏州府学教授陈厚耀精通天文历算，经康熙皇帝亲试后，“命入直内廷，授编修”。其他入直内廷的还有钦天监五官正何君锡之子何国柱、何国宗，官学生明安图，原任钦天监监副成德等。康熙皇帝常将他们召至御座旁，教以几何、数学，或互相议论，探讨问题。
皇子、皇孙是他的当然培养对象，他亲自给他们讲授几何学。其中以皇三子诚郡王允祉成绩最佳，后来成了康熙皇帝的学术助手。康熙五十二年(1713)五月，康熙皇帝决定组织自己亲自培养的这批专家、学者，在蒙养斋纂修律吕、算法诸书，以允祉及皇十五子胤祸、皇十六子胤禄，充承旨纂修，何国宗、梅珏成充汇编，陈厚耀、魏廷珍、王兰生、方苞充分校。令将所纂之书每日进呈，他“亲加改正”。至康熙五十三年(1714),论述算法的《数理精蕴》、论述历法的《历象考成》及论述乐理的《律吕正义》等书相继完成。康熙合三书为一部，赐名《律历渊源》,共一百卷。这是一部反映当时中国自然科学最高水平的带有总结性的巨著。它不仅系统而又条理地收集、编排了明末清初传入我国的西洋数学、几何学、天文学及声律学知识，也汇集了中国传统的历算及声乐精华，颁行之后，广为流传，颇有影响。康熙皇帝亲自主持的编修科技书籍工作，既汇集推广了中外科技成果，也培养了一批人才。参加修书者，有不少人都成了当时科技事业的骨干力量。
康熙皇帝最初接触自然科学，并非从兴趣出发，但渐渐对它产生了浓厚的兴趣，加之他禀性好学，知识日益渊博，科技兴趣和科学实验活动极为广泛。除数学、天文学、地理学之外，他对医学、生物学、解剖学、农艺学、工程技术等均有涉猎或研究。并精通多种民族语言。宗室盛昱帮他辑录的《康熙畿暇格物编》上、下两册，其中大部分记载他考察和研究的心得。我们从中可以看到，康熙皇帝对树木、药材、物产资源、山野动物、江河鱼类、风云雷电、潮汐、地震等，都潜心探究。他注意到黑龙江西部察哈延山喷焰吐火、气息如煤的奇特现象；根据瀚海的螺蚌甲，推知远古的蒙古戈壁是泽国。他对我国主要农作物水稻、小麦、谷子，对新疆的西瓜、葡萄，对农业与水利的关系、农作物生长与南北土性、节气的关系、蝗虫滋生规律等，都有一定的研究。康熙皇帝对科学怀有如此浓厚的兴趣，在古代帝王中实为罕见。