1581年徐光启20岁的时候，考取了金山卫的秀才，并于同年娶吴氏为妻。依照当时社会的风俗，考中秀才之后，可以从县学中得到一定的钱粮资助，同时也可以找个村学或家馆去教书。徐光启因家境贫寒，除了应付县学的作业之外，便开馆授业，教授里中子弟，以便挣些银两贴补家用。课余，他常到田间参加一些农业劳动。由于从小就接触农事，徐光启表现出非凡的经营才干。他看到有几小块荒芜废弃的空地，便动手稍加整治，种上柳树，然后卖柴取利。看到家乡时常遭受水患之苦，大雨一降，禾苗被毁，屋宇坍塌，饿殍遍野，徐光启开始留意水利，对农田水利的利弊，不断周咨博访。这些活动为他日后研究农学打下了坚实的基础。
徐光启的科举之路并非一帆风顺。他曾多次参加乡试，都未能考中举人。其中最为艰难的是1588年（万历十六年）那一次。其时徐家生活十分拮据，他的母亲为供养老小，劳作一天之后居然没吃上一口饭，最后从篱笆上摘了一只王瓜充饥。9月徐光启与友人结伴往太平府赴乡试，因囊中羞涩，乘不起车马，只得挑着行李，趟着积水，从句容沿江步行百余里到太平。这次应考失败，使徐光启有淡然名利之志。正是备尝了这种穷困与艰辛，才使得徐光启日后做了高官仍自持俭约，不去贪图个人享受，而是专心致力于科学研究。这个时期徐光启虽屡试不中，可学问却大有长进，人称其“少年以文章名天下”。像徐光启这样怀抱真才实学，却难以通过乡试，足以说明科举取士的制度到了晚明已走上了衰败的末途。当时的考试内容纯为章句之学，只注重空洞的词藻和繁琐的格式，忽视实际内容，自然难以发现和选拔真正的人才。到了晚年，徐光启还对此感触良深，批评八股文“直是无用”，称科举为“爬烂泥路”，虚掷光阴。
在徐光启31岁那年，他的母亲钱氏去世了。第二年，徐光启应他人之邀，远行广东韶州教授家馆，开始了“经行万里”的旅程。徐光启南行之际，西方传教士已经叩开中国的大门，在中国的南方进行宣扬基督教的活动，因此他同西方传教士有了初步的接触。利玛窦是最早深入中国内地传教并取得成功的耶稣会士。这个来自意大利马塞拉塔城的传教士，于1582年（万历十年）抵达澳门，第二年到端州。在此地利玛窦潜心学习汉语，钻研六经子史等书。后行迹遍至肇庆、韶州、南昌、南京等地。徐光启在韶州教书期间，一次偶然到城西的教堂，没有见到已经北上的利玛窦，却与接替利玛窦主持堂务的郭居静谈得很融洽。这是徐光启与西方传教士的第一次直接接触，萌生了对传教士和西学的好感，由此开启了与传教士长期合作共事的先河。
1596年（万历二十四年），徐光启应担任浔阳知州的同乡赵风宇的约请，由韶州移住浔州，教授赵氏家馆。几年之内，徐光启由上海到广东，又由广东到广西，长途旅行，饱览山川形胜，阅历越来越丰富，文章也写得越来越好，尤其擅长说理和抒情。当然，一个穷书生长途跋涉，其情形也是够狼狈的，衣衫褴褛，全靠自己缝缀。次年春天，徐光启远上北京，参加顺天府的乡试。这次他不但考中了，而且还被取了头名解元，名声大振。说起这次考中，应当庆幸徐光启遇上了名重一时的大学者焦。据说，初判时徐光启仍是名落孙山。到发榜前二日，主考官焦浓还为没能发现可取为第一名的人选叹息，当他看到从落选试卷中选送的徐光启那一件，不由击节赞赏，认定此为名士大儒，拔置第一。此番中举，既靠徐光启平素博览群书，好学深思，凡六经百家之书，无不遍读，能写出文辞宏美、义理精深的好文章，也多亏焦浓慧眼识人，全力举荐。此后，徐光启一直视焦为恩师。中举之后，徐光启留在京师等候会试。1598年（万历二十六年）会试，徐光启未能考中进士，于当年4月离京返乡。这一年徐光启已经37岁，却在科举的泥路上滚爬了20多个春秋。
翻译西学，会通中西
徐光启回到家乡继续以教书为业，同时更加刻苦地读书学习。这个时候的徐光启，对背诵章句已没有多少兴趣，而把关注的焦点转移到现实生活方面。他广泛阅读古今经史和科学典籍，研究历代王朝政治的成败得失，寻找富国强兵的良方。他在写给老师焦浓的信中说到自己的心情。他说自己因感愤故里屡遭倭寇蹂躏，生灵涂碳，故于六经子史以外，也常研习兵法和农学。看到国家比南宋灭亡时还要衰弱十倍，因此每每对人谈论富国强兵的方略。他认定，只有重视农业才能使国家富足，只有整饬军备才能使国家强盛。关于徐光启的这段读书生活，与他一同读书的程嘉燧曾有生动的记载：那时他们住在山中的一间小屋子里，书案旁边的瓦罐里只有米粥用以果腹，即便生活条件这样艰苦，他们却每天咀嚼诗书之精华，畅饮文章之美醪，抚琴吟唱，十分快乐。
因为事先看到了利玛窦在肇庆绘制的《山海舆地图》，对上面提供的经纬度、赤道、五带等地球知识饶有兴趣，又仰慕利玛窦的学识和为人，徐光启于1600年（万历二十八年）到南京拜访了利玛窦，聆听他的议论，对他的博学多识留下深刻的印象。不久，利玛窦前往北京向万历皇帝贡献方物。徐光启回到上海，继续教书和读书，并先后写下了《毛诗六帖》、《渊源堂诗艺》、《芳蕤堂书艺》、《四书参同》、《方言转注》、《读书算》、《赋囿》等经学、书法、小学、诗艺方面的著作十余部。1603年（万历三十一年）的秋天，徐光启再往南京访利玛窦，因后者居留北京不遇，遂与主持南京教堂的郭居静、罗如望两人晤谈。他读了《天主实义》、《天主教要》等传教著作，听罗如望讲了《十诫》等天主教的基本教义，观看了宗教仪式，决意受洗入教，并取了教名“保禄”。徐光启皈依天主教有多方面的原因。明中期以后，由于封建皇帝的提倡和庇护，佛教和道教大行其道，泛滥成灾，造成了学风的空疏败坏。士大夫往往标榜清流，束书不观，空谈竟日，视实务为浊为俗，不思如何能对国计民生有所建树。出身寒素而又饱经忧患的徐光启对这种现象极为不满，天主教的传人使他产生了一种期冀，以为可以用天主教印证儒教，补益王化，救正佛法，即所谓的“易佛补儒”。西方传教士传授的科学知识对历来学主实用的徐光启也产生了极大的吸引力，他觉得入教或许对学习和掌握西方科学技术知识能有所裨益。徐光启入教以后，开始了与传教士合作翻译西书，把西学介绍到中国的事业。不过徐光启受洗入教，也抬高了天主教的身价，扩大了天主教的影响。此后，他与李之藻、杨廷筠并称东南地区的“天主教三大柱石”。
1604年（万历三十二年）春，徐光启再度赴京参加会试，终于考中第八十八名进士，并被考选为翰林院庶吉士，进入翰林院学习。当时的翰林院庶吉士，大概相当于今天的科学院研究生，是朝廷着意培养的高级人才。翰林院的馆课主要是经史制艺对策之类。徐光启除了学习馆课而外，还读了一些时务书籍。为了集中精力攻读实用之学，他放弃了对诗词书法的爱好，专心致志地研习天文、兵法、农事、水利、工艺、数学等自然科学。他利用做馆课的机会揭露了一些社会弊端，提出了自己的兴革主张。如他在《题陶士行运甓图》诗中写道：“典午朝臣鲜尚宾，竟以旷达相矜夸。娓娓玄谈未终席，纷纷胡骑乱如麻。白玉麈尾黄金埒，间酒龙声嗑嗑。谁使神州陆沉者，空复新亭泪成血。”诗中借东晋君臣空谈误国的旧事，讽谕当时弥漫于学坛的空疏之风。
流传至今的徐光启馆课作品中，《海防迂说》、《漕河议》、《处置宗禄查核边饷议》、《拟上安边御虏疏》四篇文章，集中反映他在政治、经济、军事等方面的改革思想。《海防迂说》针对倭寇为害东南海疆的现状，考察了倭患的发展历史和沿海富商豪族与倭寇勾结的情况，提出“官市不开，私市不止”的见解，主张正式与日本通商。这样，一来可以使中国的丝帛等货物找到市场；二来掌握了主动权，日人来市则予之，来寇则歼之；三来可随时绝市，制御倭寇。《拟上安边御虏疏》则主要是针对北部边境来自鞑靼、瓦勒等部族的威胁的。疏中提出了一套练兵筹饷的办法，包括战略上先求可以守，次求可以战，再求可以大战；人员上选练十万精兵，作为野战的主力；战备上务农贵粟，实行屯田等等。《处置宗禄查核边饷疏》指出宗室俸禄已成为国家财政的巨大负担，建议把实物俸禄改为封给土地，使其“自生粟帛而衣食之”。《漕河议》提出南粮北运，縻费巨大，应该把黄河、淮河的水用来种植谷物，减轻漕运负担。治理运河，应当以科学测量为依据，根据地形水势加以疏导。徐光启的这些建议，虽不乏真知灼见，但并未受到统治者特别的重视。
就读翰林院期间，徐光启与客居北京的利玛窦交往甚密。他时常布衣徒步，前往利玛窦邸舍问学。利玛窦还在罗马时，就师从天主教的著名学者克拉维神父，学过数学、地理和天文学方面的知识。到达中国后，他发现这个古老的东方国家地广物丰，人口众多，文化传统历史悠久，博大精深。他感到在中国传教，如果采取在其他地区惯用的强硬方式，恐怕难以奏效，于是转而推行一种学术传教的路线，主动地介绍一些西方的科学知识到中国。他先是用三棱镜、自鸣钟、日晷仪之类的精巧玩艺唤起高官名士的好奇，接着又绘制了《万国舆地图》，介绍西方天文学知识。徐光启在与利玛窦的交谈中，一再要求与之合作，把后者从罗马带来的西方科学书籍翻译成汉语，以便更多的人能够学习。在徐光启的请求下，大概从1605年（万历三十二年）到1606年（万历三十四年）间开始，两人开始合译西方数学的经典著作，即欧几里得的《几何原本》。
为什么首先选择《几何原本》进行翻译呢？徐光启自己曾作过解释。他认为，数学作为一门最基本的学问，就好比木匠的斧头和尺子，是不可缺少的工具。而《几何原本》又是数学的本原。它可以“穷方圆平直之情，尽规矩准绳之用”。其中的公理、公设虽不以直接以具体事物为对象，但它所蕴含的道理却是一切科学技术必须遵循的。他借用前人“鸳鸯绣出从君看，不把金针度与人”的诗句，称“金针度去从君用，未把鸳鸯绣与人”，而《原本》就是能绣出千百种鸳鸯的金针。因此，“举世无一人不当学”，而且“百年之后必人人习之”。这就表明徐光启对自然界的一切事物都表现为一定的数量关系的原理，和《原本》所体现的形式逻辑的思维法则，有了比较清楚的认识。徐光启为翻译《几何原本》付出了艰巨的劳动。他每天下午三四点钟前往利玛窦寓所，由利玛窦口授，他负责笔录。翻译中反复推敲，务求译文准确，文词通畅。当时杨廷筠、李之藻、叶向高、冯应京、曹于汴等著名学者，也参予了讨论，质疑辩难，互相切磋。经过前后三次修订，到第二年春天，终于译成了《几何原本》前六卷。即使按今天的标准看，这次翻译也是非常成功的。徐光启在译书过程中创立的一套几何术语，如点、线、面、直角、四边形、平行线、相似、外切等，一直被沿用下来。
《几何原本》译毕付梓，徐光启又与利玛窦用同样的方式译出了《测量法义》初稿。徐光启历来重视水利，这时也向利玛窦询问西方水利设施和器械的情况，并从中受到启发。徐光启的好友李之藻曾从利玛窦学习天文学，并运用西法进行实地测量，写成了《浑宪通盖图说》一书。徐光启亦参予了此书的修订。1607年（万历三十五年）4月，徐光启结束了翰林院为期三年的学习，授官翰林院检讨。5月，其父徐思诚病逝，徐光启按惯例归籍守制，回到上海。
守制期间，徐光启仍致力于科学研究和农学试验，他把已经译成的《测量法义》加以整理，删削定稿。随后，又相继撰成《测量异同》和《勾股义》。这三种书，都是对《几何原本》的发挥和应用。在这几种书里，徐光启运用西方几何学的原理，对传统数学的经典著作《周髀算经》、《九章算术》进行整理，发现传统数学的缺陷是“只言法，不言义”，即只讲求解的方法，不讲为什么这样求解，从而初步揭示了传统数学作为经验型科学的本质特征，并由此萌生了创立“有理、有义、有法、有数”的科学体系的强烈愿望。当然，作为一个讲求实际的科学家，徐光启的研究和著述，绝不单纯是为了满足自己的求知欲望，更是为了指导改造自然、征服自然的实践活动。正像他在《勾股义序》中所说的，“西北治河，东南治水利，皆目前救时之至计……此法终不可废”。这些西方科学的成果，在生产实践中可以发挥作用，产生效能。在此前后，徐光启还帮助李之藻把根据克拉维《实用算术纲要》翻译的《同文算指》整理成书。
1610年（万历三十八年）10月，徐光启守制期满，回到北京，恢复翰林院检讨原职。此前，徐光启曾经计划与利玛窦共译水法书，但当他回到北京时，利玛窦已于当年4月去世，因而改请传教士熊三拔口授。起初熊三拔表现出为难的神色，经徐光启一再敦请，两人才动手翻译。这次翻译没有采取照本直译的作法，而是结合我国已有的水利工具，只选译其中比较实用和确实先进的部分，一边译书一边试验，把制器和试验的方法与结果都记录下来。《泰西水法》一书具有极强的实用性和可操作性，对发展农田水利事业很有指导意义。为了呼应日益高涨的改历舆论，徐光启还把昔日听熊三拔讲授简平仪构造与用途的笔记加以整理，编成《简平仪说》刊行。
以徐光启翻译《几何原本》、李之藻编译《浑宪通盖图说》为发端，在晚明的学术界，翻译西方科学书籍成为一时盛事，较有代表性的还有焦勖译《火攻挈要》、王征译《远西奇器图说》等书。此外，当时还译介了一批欧洲宗教、哲学、逻辑学、语言学等方面的书籍。自唐代大规模翻译佛经以来，这是中外文化交流史上的第二次译书高潮，而此次译书涉及的领域之广，科学意义之大，又是第一次译书高潮无法比拟的。它在较高的层次上实现了中国和欧洲两大文化体系的融汇与交流，使中国文化初步纳入了世界文化发展的体系，为中国科学文化的发展注入新的活力与生机。但释农业生产，把传统农学理论进一步系统化，有相当高的水平。不过，它们还停留在以比较抽象的哲理来阐释农业生产现象，当时仍缺乏显微镜一类科学观察实验手段，难以深入探索农业生物内部的奥秘，形成建立在科学实验基础上的理论，这就不能不妨碍我国农学以后的进一步发展。
纵观我国古代农书，在卷帙浩繁、体裁多样、内容丰富深刻、流传广泛久远等方面，远远超过同时代的西欧。这是我们的祖先给我们也是给全人类留下的宝贵遗产。
下面将分别对我国古代农学体系的主要内容加以介绍。
土地利用“广种不如狭收”
土地利用是农业技术的基础，扩大农用地面积和提高单位面积农用地的产量（即土地生产率），是发展农业生产的两条途径。随着人口的增加，中国历代都在扩大耕地面积和农用地范围，但各个农业经营单位在考虑它的生产方针时，总是把重点放在提高单位面积产量上。起码战国以来就是这样。战国初年李悝（亏）为魏相，颁行“尽地力”的教令，指出治田勤谨还是不勤谨，每亩将增产或减产三斗，在方百里可垦田600万亩的范围内，粮食总产的增减达180万石，幅度为20%。“尽地力”，用现在的话来说就是提高土地生产率。荀子也认为，如好好种地，可以亩产“数盆”（盆是量器，合一石二斗八升），等于一年收获两次，潜力很大。
要通过提高单产来增加总产，就不能盲目地扩大经营规模。历代农学家无不提倡集约经营，少种多收。如贾思勰认为，“凡人营田，须量己力，宁可少好，不可多恶”（《齐民要术》）。陈主张“多虚不如少实，广种不如狭收”（《农书》），并提出耕作规模要与“财力相称”。明代《沈氏农书》也主张“宁可少而精密，不可多而草率”。这种主张的产生不单纯因为人口增加、耕地紧缺和小农经济力量薄弱。人们在长期生产实践中认识到，集约经营、少种多收，比之粗放经营、广种薄收，在对自然资源的利用和人力财力的使用上都是更为节省的。《沈氏农书》以桑地经营为例，指出如果深垦细管，多施肥料，可以“一亩兼二亩之息，而工力、钱粮、地本，仍只一亩”。又引老农的话说：“三担也是田，两担也是田，担五也是田，多种不如少种好，又省气力又省田。”
我国古代农业单产比西欧古代和中世纪高得多。西欧粮食收获量和播种量之比，据罗马时代《克路美拉农书》记载为四—五倍，据13世纪英国《亨利农书》记载为三倍。而从《齐民要术》看，我国6世纪粟的收获量为播种量的24~200倍，麦类则为44~200倍。据《补农书》记载，明末清初嘉湖地区水稻最高产量可达四一五石，合今每市亩901~1126市斤，比现今美国加利福尼亚州的水稻产量还高。我国古代农业的土地生产率，无疑达到了古代社会的最高水平。
种无闲地与种无虚日
土地生产率与土地利用率关系密切。在“尽地力”思想的指导下，我国古代土地利用率不断提高，集中表现在以种植制度为中心的耕作制度的发展上。我田事宜。他相继在天津、房山、涞水等地寻访适宜屯田的地点，并最终选定天津做他的试验场所。来到天津，他购置了一批杂草丛生的荒地，雇用了一些农户开荒种地，他本人也亲执农具，在田头劳作。这些新垦殖的荒地被种上了小麦、水稻等农作物，获得了较好的收成。徐光启所关心的不仅仅是收成的好坏，而是利用屯田进行科学试验，总结种植的经验教训。他十分重视调查研究，搜集民间经验。他时常布衣敝履，奔走于田野，向当地农民了解土壤、施肥和耕作方法等方面的问题，仔细笔录下来，然后博考中外古今的农业典籍，再结合自己的实验结果，写成许多充满科学精神的笔记。靠这种方法，他先后写下了《宜垦令》、《北耕录》等农书，并借鉴前人成果创造了名为“粪丹法”的施肥方法。
经济作物的种植培育也是徐光启科学实验的重要内容。赴天津之前，他曾写信给家人索取各种花草和麦地冬、生地、何首乌等药物的种籽，利用空地进行种植，还计划用西方的制药法加工提炼，制成药露，既便于使用又便于保存。后来，他还打算把苎麻、蔓菁等南方作物引种到北方。历史上北方曾经是主要的蚕桑产地，可随着经济重心的南移，江南桑蚕业后来居上，北方的桑蚕业反倒衰败下去。徐光启对北方的气候、土壤等条件进行了考察，发现很适宜植桑养蚕，决心在北方试养试种，重振北方桑蚕业，推动北方经济的发展。他特意叮嘱在家乡的儿子徐骥“养好桑椹，晒干寄来”。
他在天津养蚕，头蚕由于春旱取得成功，二蚕可能因为多雨，吃了湿叶，结果坏了。徐光启就此总结出经验，即要养好蚕，关键在于桑叶要干，桑干在天，人要与天争时，这反映出既要尊重自然规律，又要因地制宜，创造条件的科学思想。徐光启第二次屯田天津是1621年（天启元年）。这一年，他以练兵受挫，愤然辞职，复寓津门。在此期间，他写了《粪壅规则》，记录了北京、天津、山西、山东、江苏、浙江、江西、广东等全国各地老农、老兵和过往行人传授的壅粪方法和他自己的施肥经验，还保留了一些很有价值的笔记。可见，徐光启的农学研究，不但注重试验结果，还注意采集别人的经验，两者互相印证，一个环节一个环节的推敲，最后作出自己的判断。这是徐光启科学研究的一大特色。
《农遗杂疏》是徐光启屯田天津所写的另一部农学著作。此书泛论粮、棉、果、蔬、农艺及牧畜技术，今已不传。从散见的一些佚文中，可以看到大麦、蚕豆、柑桔、石榴、棉花、竹子等的种植栽培和肥猪法等方面的内容。如说蚕豆是百谷中最早成熟的，蒸煮代饭，炸炒供茶，无所不宜，而且不受蝗害，不为虫蚀，可藏之数年，诚为备荒的佳种。还说大麦最宜久藏，可以多积。徐光启把自己长期积累的经验，采取通俗易懂的语言记录在《农遗杂疏》里，便于识字不多的广大农民掌握和应用。他循循劝告农民采用先进的生产技术，实行多种经营，提高作物单产，积粟备荒，增强国家的物力财力，实现富国强兵的理想。在长期的科学实践中，徐光启收集积累了大量第一手材料，总结了许多珍贵经验，这些都为他编纂《农政全书》奠定了坚实的基础，他在这个时期取得的大量研究成果，也都在《农政全书》中有所反映。
诚然，由于徐光启善于经营，也使他自己的经济状况大有改观。他在天津开辟的土地大约在一千五百亩到二千亩之间，以与所雇用的农产四六分成计算，每年也有三四百石粮食的收入。但是，徐光启毕竟是杰出的科学家，不像一般封建地主纯粹过着不劳而获的寄生生活，是专门消耗社会财富的蠹虫。稍加分析就会发现，徐光启的农业经营活动是从属于他的农业科学试验的，其动机是为了研究和推广农业科学技术，推动社会生产力的发展，创造更多的社会财富。他不仅自己从事劳动，还把收获的一部分投入到科学事业上，为扩大研究范围和规模提供资金。因此，应该把徐光启与那些专靠剥削为生的封建地主区别开来。
督练新兵，守城制器
徐光启对军事问题有强烈的兴趣，这种兴趣来自童年的经历。前面说到过，在徐光启的童年，他的故乡屡遭倭寇蹂躏，生灵涂炭，民不聊生，他的家人也饱受流离之苦。从父亲那儿听到的抗倭故事，给少年徐光启留下深刻的记忆。倭奴的凶悍残暴，国家的积贫积弱，激发起他对倭寇的仇恨和对国势衰败的感愤。他的富国强兵思想最早也应该是从这个时候萌生的。研习举业之余，徐光启浏览了许多兵家典籍，翰林院读书期间也曾写下了《拟上安边御虏疏》这样闪烁着真知灼见的馆课文章。不过，他真正有机会统领军队，推行自己的军事主张，却是在很多年以后了。
明朝晚期，东北地区的女真族势力不断发展壮大，对明王朝的统治构成了威胁。1616年（万历四十四年），努尔哈赤统一女真各部，建立了后金政权。其后二年，后金兴兵南犯，相继攻占明朝东北重镇抚顺和清河。明王朝统治者大为震动，廷议纷纷。礼部左侍郎何崇彦以“夙知兵略”举荐徐光启参预军务，万历皇帝急召徐光启入京。这时徐光启正在天津养病，接到诏书，即刻启程，抱病回到左春坊左赞善任上。1619年（万历四十七年）3月，兵部左侍郎兼辽东经略使杨镐率四十万援辽大军，出山海关后兵分四路向后金军发起反击，结果一败涂地，还在刚刚得知杨镐兵分四路出击的部署时，徐光启就指出“此法大谬”，后金兵必于诸路坚壁清野，集中兵力对付其中一路，并判定这一路必定是由山海关总兵杜松所率由沈阳往抚顺的明军。局势的发展完全被徐光启不幸言中，杜松在二度关遭遇后金精兵伏击，全军覆没，其余各路亦先后败没。至此，徐光启心急如焚，连上三疏，痛切陈词，阐明自己对挽救危局的看法和主张。
继《敷陈末议以殄凶酋疏》、《兵非选练决难战守疏》之后，局面急剧恶化，朝廷仍因循守旧，不思改弦更张，徐光启于8月7日又上了《辽左阽危已甚疏》，吁请朝廷火速选练精兵，不可延宕误国。在此疏中徐光启提出了“正兵”的五条纲领：亟求真材以备急用；亟选实用器械以备中外战守；亟行选练精兵以保全胜；亟造都城万年台以为永久无虞之计；亟遣使臣监护朝鲜以联外势。这里包括了选材、造器、练兵、建台、联外五个方面，其中徐光启尤为强调军事人才的选拔与培养。他指出，国势衰微，渐贫渐弱，关键的原因之一是朝廷在选拔人才上拘泥常格，因循积弊，结果是论资排辈，任人唯亲，“用者未必才，才而用者未必当”。战争本来就是斗勇斗智，如果不是才力智计殊绝于人，就很难打胜仗。选拔人才的办法是，由在京诸臣各自举荐文武才略、绝技巧工之士，再经吏、兵二部考窍核实，根据其特长决定推升、改调或咨取，一一置之在京衙门和畿辅重地，以凭随时调用。所举人才建有奇功，举荐人亦分别赏擢，若误国败事，举荐人一并坐罪。倘若徐光启的建议被采纳，该会对用人问题上的弊端起到一定的遏制作用的。
徐光启的建议起初并没受到应有重视。后来因辽东危急，京城的安全也受到严重的威胁，众臣纷纷推举，万历帝才于1619年（万历四十七年）9月颁旨：“徐光启晓畅兵事，就着训练新兵，防御都城。”寻升徐光启为詹事府少詹事，兼河南道监察御史，管理练兵事务。徐光启受领新职后，满怀信心，于10月21日上《恭承新命谨陈急切事宜疏》，条陈有关练兵事项，包括关防、驻扎、副贰、将领、待士、选练、军资、召募、征求、助义等十款，希望能在财政和人员方面得到朝廷的支持。他曾设想挑选壮兵丁二万人，在京营附近建筑营房二千间，由工部和户部各自支付兵器和粮饷费用若干，一面造器，一面练兵，一年之后这支部队便可以投入使用。不料他处处受朝中权臣牵制，要人没人，要钱没钱，计划虽好却难以实施。
1620年（泰昌元年）4月，徐光启费尽周折才领到一点饷械，便风尘仆仆赶到通州、昌平，着手进行选练新兵的工作。当时供徐光启训练的新兵半杂老弱，身无完衣，面有饥色，他下决心裁汰老弱，只保留了一部分精壮兵丁，结合实战阵法进行操练。但是由于万历、泰昌两帝一年之内相继驾崩，加上饷械不继，缺少兵源，徐光启的练兵工作遇到很大困难。1621年（天启元年）2月，他旧疾复发，再回天津养疴。不久因沈阳、辽阳接连失守，礼部奏请襄理军务，又奉旨返京。
还在昌平、通州练兵时，徐光启曾经致信李之藻，要他前往澳门购置西方火器。李之藻派门人张焘赴澳门，向葡萄牙当局购买了四门大炮，并物色到炮手四人。时值徐光启辞职，李之藻恐大炮落入敌手，留在江西不再北运。徐光启复职后，重抄了练兵三疏进呈，请求恢复练兵计划，并把制造火器放在首位。他看到，明朝军队原先在火器上的优势，因为连战皆输，大量兵器被敌军俘获，已经转化成为劣势，只有大量铸造火炮才能改变这种不利的态势。他一边把留在江西的大炮运到前线，一边力请多铸西洋火炮，以资城守。他还推荐传教士阳玛诺、毕方济堪任此事，请速访求前来。然而好景不长，复职仅四个月，徐光启又受到阉党的攻讦，眼见练兵计划付诸东流，他愤然辞职，回到上海搞他的农学试验。
徐光启的练兵虽因层层阻挠而告失败，但也产生一些积极的效果。经过他训练的新兵在辽东战场作战，显示了顽强的战斗力，远比一般的明朝军队出色。他引进的西方大炮在宁远战役中发挥了巨大的威力，其中的一门被天启皇帝封为“安国全军平辽靖虏大将军”。在练兵过程中，徐光启还留下了二十四篇《练兵疏稿》和《选练条格》一卷。《选练条格》共分选士、选艺、束伍、形名、营阵五章，在募选、训练、指挥、战法等方面都提出了一些重要思想。如关于选拔士兵，他提出“以勇、力、捷、技四者取之”。他特别强调军队要有严明的纪律，行动要一致，“如擂鼓要进，就赴汤蹈火也要进；鸣金要退，后面有水火也要退。众人共一耳，共一目，共一心，此齐众之一法，阵无有不坚，敌无有不破矣”。后来，徐光启把他有关军事问题的疏稿汇刻为《徐氏庖言》五卷，这是他留给传统兵学的一份宝贵财富。
时隔八载，徐光启再度投笔从戎。这时崇祯皇帝已经即位，惩治权阉魏忠贤，剪除了阉党势力。崇祯力图刷新政治，任用贤能，恢复了徐光启礼部右侍郎兼翰林院侍读学士协理詹事府事的原职。其实此职是徐光启辞官闲住时由魏忠贤之流封的，他并没有到任。1628年（崇祯元年）8月，徐光启束装就道，由上海到北京，觐见崇祯。次年4月升任礼部左侍郎，主持礼部日常事务。9月他又受命督修新历。正当徐光启全力以赴地筹划历局事宜时，后金军队由皇太极率领挥师入关，围困蓟州，攻陷遵化、抚宁，威逼京师。1629年（崇祯二年）12月，后金兵攻入太安口，京师宣布戒严。半月后后金兵已攻至北京德胜门。兵临城下，势如垒卵，崇祯急忙召集群臣，商讨退敌计策。徐光启在召对中力主守城，得到皇帝的首肯。徐光启随即放下历局工作，以主要精力从事火器制造和保卫京师的斗争。
年近古稀的徐光启，满怀爱国之情，日夜在城防上奔波，教练军士，布置防务，饥渴俱忘，风雨不避。他制定的《城守条议》，就守卫京师作出了具体规划。《条议》提出，应当动员广大市民投入保卫京师的斗争。城中并不缺乏智勇奇士，应广泛收求加以录用。不论是勇力绝伦的，武艺出众的，善用火器的，能造守城器械的，都可由京官保任。对于市民提出的有关城防的意见，不拘尊卑，每天由负责官员议定，可行的便通知各处遵照执行。如吏部主事杨伸有名家人善用石炮，徐光启提议任命他为教师，教守城军民制作炮架，临时施用。这些事实反映了徐光启的军事民主思想。正是因为徐光启采取了行之有效的举措，森严壁垒，严阵以待，才使得后金军队最终不敢进攻北京。
后金军队退去后，徐光启建议利用这段间隙，立即赶造火炮和加紧选练守城士兵，进一步巩固京师的防务。他指出，后金军之所以不攻京师，不攻涿州，就是因为畏惧火器的威力。这种当时最先进的新式武器，物料真，制作巧，药性猛，射程远，精度高。他筹划在北京设立一个小兵工厂，并建议在扬州、潞安开局铸炮。徐光启听到传教士陆若汉、公沙的西劳提议去澳门购炮和遴选铳师，极为赞赏，表示愿亲自前往。光有火器并没解决所有的问题，还必须有能熟练使用火器的军队。为此他提出一套组建和训练车营的办法。所谓车营，就是组成一支三五千人装备火器的队伍。这支队伍不但能守卫城垣，而且能出城作战。以此为基础，把习铳的军队扩大到二三万人，一半在城中训练，一半在城外巡守。制定训练计划要严格，办法要切实，“宁为过求，不为冒险；宁为摭实，无敢凿空”。1631年（崇祯四年）11月，徐光启又上书皇帝，提出一个他精心设计的精兵方案。这个方案的要点是，以六万人编为十五营，每营四千人，配备双轮车一百二十辆，炮车一百二十辆，粮车六十辆，另配西洋大炮十六门，中炮八十门，鹰铳一百门，鸟铳一千二百门。他请求以登莱巡抚孙元化的部队为基干，先组成一营，然后逐步扩展。练成四五营，则不忧关内；练成十营，则不忧关；十五营俱就，则不忧进取。可是两个月后，后金兵进攻关外大凌河，孙元化派部将孔有德增援，孔有德在吴桥发动兵变，西洋火器悉数落入孔有德之手，不久孔有德又带着这些武器投降了后金，致使徐光启的计划完全破灭。自此以后徐光启心灰意冷，再也不言兵事。
徐光启的军事思想中包括了许多有价值的见解。如他重视民众的作用，主张动员民众参加军事斗争；他注重提高军队的战斗力，主张严加选练；他认识到武器是克敌制的重要因素，倡议引进西洋火器；他反对平分兵力，主张集中优势兵力歼敌一路，等等。但他的军事实践却是失败的，具体的表现就是练兵计划的屡次落空。其根本的原因是晚明政治腐败，经济凋蔽。一方面是国力衰弱无力支付巨大的练兵制器费用，一方面是权奸当道，百般刁难，处处掣肘，单靠徐光启一人的苦心经营是无法挽回明王朝的颓势的。
精研天文，督修新历
在守城制器的前后，徐光启还领导了修改历法的工作。天文历算在我国有悠久的历史和辉煌的成就。十三四世纪欧洲的儒略历出现严重失误的时候，我国元代科学家郭守敬便制定了《授时历》，把中国历法提高到更加准确的程度。明代的《大统历》就是直接承袭《授时历》的。但是由于长期没有修订，到明晚期，《大统历》也多次发生显著的失误。
徐光启很早便潜心学习和研究天文学。天文学曾是徐光启学习西学的重要内容之一，入翰林院后，仍花了很大气力从事天文学的研究，他先后写了《山海舆地图经解》、《题万国二寰图序》、《平浑图说》、《日晷图说》、《夜晷图说》、《简平仪说》等著作。这说明徐光启不但对西方天文仪器的构造、原理、用途有了充分的知识，甚至对西方测天的方法和理论，也进行了深入的研究。徐光启在当时的天文学界已有较高的声誉，所以礼部在1612年（万历四十年）1月奏请修改历法时，他便以“精心历理”与邢云路、范守己、李之藻等同时受到举荐。因万历帝久居深宫，疏于政务，此议被搁置下来。然而，徐光启并未放弃修改历法的努力，继续进行各方面的准备，如物色培养天文学人才，翻译西方天文学著作等等。
机会终于来了。1629年6月21日（崇祯二年五月朔）日食，钦天监预推失误，而徐光启用西法推测食分时刻却被验证。崇祯严辞切责钦天监官员。在这种情况下，礼部奏请开设历局，修改明初开始推行的《大统历》。9月1日，崇祯皇帝正式下令修历，并命徐光启督领修历事务，李之藻协理修历。历局设在宣武门内原首善书院。9月13日，徐光启上《条议历法修正岁差疏》，提出修改历法的步骤和方法，急需的仪器及人员的调配等。这份文献实际上成为修历工作的纲领。后来他提出的“欲求超性，必先会通；会通之前，必先翻译”，则成为贯穿整个修历过程的指导思想。
按照徐光启的计划，修改历法应当以西法为基础。其中固然有西法运算周密，在推算上确实优于旧法的科学本身的原因，也有旧法创制已久，法理难明，而西法经传教士广为宣传造就了一批通晓天文历算的人才这种客观上的原因。徐光启把翻译西方天文学著作当作修历的第一个必须的步骤。那时传到中国的西方天文学著作虽然卷帙浩繁，如1620年传教士金尼阁携来的七千部书籍中，相当一部分是天文学著作。盲目翻译需耗费大量的人力物力，且旷日持久，显然不行。徐光启又有针对性的提出，要有选择地组织翻译，要区别轻重缓急，首先选译那些最基本的东西，循序渐进。在内容上要包括欧洲天文学的理论、计算和测算方法、测量仪器、数学基础知识以及天文表、辅助用表等的介绍、编算等。徐光启本人也积极投入了翻译工作，他参预编译的著作就有《测天约说》、《大测》、《元史揆日订讹》、《通率立成表》、《散表》、《历指》、《测量全义》、《北例规解》、《日躔表》等。
作为修历的组织者和领导者，徐光启的眼光并没有停留在译成一批西方天文学著作上。他的心愿是编成一部融汇中西历法优点，达到当时最高科学水准的历书。为了实现这个理想，徐光启对历书的结构作了精心的擘划。他提出整部历书要分为节次六日和基本五日。节次六日是《日躔历》、《恒星历》、《月离历》、《日月交食历》、《五纬星历》、《五星交会历》。这六种书由易到难，前后呼应，研讨天体运动的规律，介绍测算天体运动的方法。基本五目包括“法原”、“法数”、“法算”、“法器”和“会通”，是整部历书的五大纲目。法原是天文学的基本理论，包括球面天文学原理。前述节次六日即属于法原的范围。法数是天文表。法算是三角学和几何学等天文学计算中必须的数学知识。法器是天文仪器。会通是旧法和西法的度量单位换算表。这基本五目包容了有关天文历算的全部重要知识。以后《崇祯历书》的编写工作，几乎完全是按这个计划进行的。徐光启是历局的最高领导人，直接对皇帝负责。他主持历局的四年间，从制定计划、用人、制造仪器设备、观测、译撰直到钱粮细事，一应事务，无不操持，仅就各种事宜向皇帝上疏便有三十四次之多。他不辞辛劳，亲自参加撰写和编译工作。《崇祯历书》中的《历书总目》一卷、《治历缘起》八卷、《历学小辩》一卷，都是他独力撰著的。此外，他还要对全部书稿进行审阅和修改，作文字上的润饰。每卷要修改七八次才能定稿。1633年辞世前夕，他还上疏介绍剩余的六十卷书稿的情况。其中三十卷由他审改定稿，另三十卷草稿中也有十之一二经他修改，十之三四经他审阅。可以说，没有徐光启的全力支撑，历局工作顺利进展将是不可想象的。
徐光启深知实测天象对天文学研究的重要意义。为了使新历更趋科学，修历当中徐光启多次组织历局人员观测日月食、五星运动和节气时刻，取得了大量科学数据。每逢日月食，他常常亲往测候，尽可能掌握交食时刻和食分的第一手资料。此前，我国观测日月食多用肉眼，精确度很低。尤其在观测日食时，由于阳光强烈刺目，初亏与复圆的时刻很难定准，食分的大小也不易测准，食分小的日食更难发现。古代也曾有用水盆映象的方法测量日食，但往往受水面摇荡的干扰。徐光启把刚刚传入中国的望远镜技术用于天文观测，取得了很好的效果。在他的治历疏稿中，多次提到用望远镜观测日月食的情况。其方法是在密室中斜着开一道缝隙，将窥筒眼镜置于此处，日食的情况透过望远镜投射到画好日体分数的图板上，亏复和食分一目了然。用这种方法大大提高了观测数据的精度。制造望远镜并用于天文观测，徐光启是我国历史上的第一人。徐光启自己备有一部《观景簿》，是他持之以恒观测天象的记录。其中有多年诸曜会合、凌犯行度和节气时刻的观测结果。1629年（崇祯二年），他还主持了一次天文大地测量，测定了山东、河南、湖广、四川、北京、南京等地的经纬度。测量中采用了西方先进的测量方法和技术。后来，根据实测的结果，他又主持绘制了一份当时最完备最精确的星表和星图。这份星图现即称为“徐光启星图”，它是我国目前所见最早包括了南极天区的大型全天星图。
对天文学研究来说，仪器设备的重要性比起其他学科更加明显。仪器设备先进与否，直接决定着天文学发展的水平和历法的准确程度。徐光启在改历之初，就提出了制造仪器的计划。他为此事专门上疏皇帝，提出“急用仪象十事”，建议制作地球仪、七政列宿大仪（即天球仪）、平浑悬仪、交食仪、60度纪限大仪、90度象限大仪、日晷、星晷、自鸣钟以及望远镜等十种仪器共二十七件。像这样大量引进制造西法仪器，是前所未有的。在原有的观测手段相当落后的情况下，引进仿制西法仪器是迅速提高观测水平的有效办法。当然，引进的目的是“会通超胜”，因此在实际制作中根据中国的情况作了适当的改造与变动，例如仪器上二十四节气的刻画，宫、度等对应的中文名称和刻度，仪器的造型风格的和花饰等等，都体现了中国的特点。徐光启等明代科学家在这方面的探索，为清初用西法浇铸大型铜质天文仪器积累了宝贵的经验。特别值得指出的是，伽利略望远镜问世不久，1618年由传教士邓玉函介绍到中国，徐光启便敏锐地感觉到它对天文观测所具有的重要意义，刚着手修历就装配了三架望远镜，使得观测精度大为提高。
精心培育造就科学人才，是徐光启主持修历期间的又一贡献。他以一个科学家的长远眼光和博大胸怀，把历局办成了一个延揽八方英才的科学家摇篮，表现出非凡的领导才能。在用人方面，他采用广咨博取、不拘一格的方针，果断宣布：“不拘官吏生儒，草泽布衣，但有通晓历法者，具文前来”，“果有专门名家亦宜兼收”。他把能明度数本原、精通测验推步、善于制造大小仪器的人选为“知历人”，参与修历，还招考能书善算的年轻人为“天文生”，进行重点培养。历局中不但有李之藻这样的对天文历法造诣甚深的中国学者，也有知晓西法的外国传教士龙华民、邓玉函、罗雅谷、汤若望等。为使修历大业后继有人，徐光启在培养扶持后生晚辈上倾注了极大的热情。他自知病重，便于1633年（崇祯六年）10月31日上疏，大力举荐原山东布政司右参政李天经，说他“博雅沈潜，兼通理数，历局用之尤为得力”，请求派他接替自己主持历局事务。李天经果然不负所望，在徐光启去世后秉承遗愿，主持完成了《崇祯历书》。徐光启很重视培养官生。每一部书稿编写完，就把它作为教材向官生传授。这样做的结果，待到新历编成，一大批掌握新历法的天文学专门人才也就培养出来了。对历局工作人员的劳动成果，徐光启是十分尊重的。他在临终前还特意上疏，保举改历有功人员和学业优良的官生。历局全体人员团结一致，通力合作，终于使《崇祯历书》这部煌煌巨著得以顺利完成。
在巩固内部，充分发挥修历人聪明才智的同时，徐光启还同反对改历的保守势力进行了不懈的斗争。修改历法在封建社会是关系王朝统治的大事，一些拘守旧法冥顽不化的人，处心积虑地设置障碍，阻挠修历。1595年（万历二十三年）和1612（万历四十年）改历的呼声两度形成高潮，但终因这些人以“祖宗之制不可变”为辞极力阻止而夭折。新的历局设立以后，旧法与新法的论争也从未中断。徐光启从中国天文学发展的历史实际出发，反复阐说我国的历法正是由于不断改革而逐步完善的，治历明时要依据天时的变化，不能拘泥古法而违背天象。他为了回答来自守旧人物如冷守中、魏文魁之流的攻击，专门写了《学历小辩》一书。他在书中揭露了冷守中历书玩弄的神秘数学游戏，又指出魏文魁的历法书不但数据陈旧，理论和方法上也有许多矛盾和漏洞。徐光启还采取了用事实说话的办法，凡遇有日食、月食，他都预先公布推算结论，然后在北京观象台和国内其他地方观象测验，用测验的结果证实新法的正确和优越，借以回击守旧派，说服那些对新法怀有疑虑和成见的人。
徐光启对待修历的工作态度十分感人。当时他已是年近七旬的老翁，且又体弱多病，可对科学事业仍一丝不苟。每次观测，他总要登上观象台，亲自操作仪器或进行指导。1630年（祟祯三年）12月31日，他登台安排观测事宜，不慎失足坠落，腰膝受伤，很长时间难以行走。1632年（崇祯五年）5月4日月食，他不顾七十高龄，仍于夜间率领钦天监官员和历局人员一同登台，守候在仪器旁进行观测。当年6月，他以礼部尚书兼东阁大学士入阁办事，白天处理完繁忙的公事；入夜回到寓所，仍秉烛奋笔，审订新编成的历书草稿。1633年11月7日是他生命的最后一日，他念念不忘修历之事，再次上疏崇祯皇帝，推荐李天经接替历局事务。他身居高位，操守清介。死后囊无余资，官邸萧然，除却几件旧衣服，留下的只有一生著述的书稿。
《崇祯历书》虽非最后完成于徐光启之手，可他对于新历的贡献是其他人无法比拟的。这部凝聚了徐光启半世心血的天文学巨著，在他去世后的第二年（1635年，崇祯八年）全部告竣。全书洋洋一百三十七卷，先后分五次进呈。其中徐光启本人进呈三次，李天经进呈二次，李天经进呈的也多是经徐光启定稿和审改过的。《崇祯历书》是在明末中西文化交流新高潮的背景下完成的，是中外学者共同努力的智慧结晶。它不仅对传统天文学作了一个总结，有了新的发展，而且大量吸收了欧洲天文学的先进成果。它的问世，标志着我国传统天文学开始走上世界近代天文学发展的轨道。
与传统天文学比较，《祟祯历书》有许多新的改革和进步。它的主要成就反映在下述几个方面：引入了明确的地圆观念和地球经纬度的科学概念。这不但对破除旧有的天圆地方观念有着重要的意义，而且也大大提高了推算日食的精度；认为各种天体与地球的距离不等，并且给出各种天体距地的具体数值，用于计算它们的行度；引入了蒙气差校正，有助于提高观测精度；引入了几何学和三角学的计算方法，简化了计算程序，提供了准确的计算公式，扩大了解题的范围；提出了日月有高卑行度。日月在本天行度外还有循小轮运动，有距地远近的变化，应当根据这种变化精确计算日月的近地点和远地点；引入了新的岁差观念，即恒星有本行，以黄极为极；采纳了小轮体系和椭圆体系，用几何运动的假设解释了天体顺、逆、留、合、迟、疾等天文现象；确定五星绕日运动，其运动方位是受太阳运动的速度变化而变化的；引进了一套完全不同于传统天文学的度量制度。包括分圆周为360度，一日为96刻，60进位制，黄赤道坐标制等。这些重要变化，表明《崇祯历书》带来了中国天文学的一场深刻变革，对清初天文学的繁荣产生了积极的影响。
不幸的是，《崇祯历书》没能够立即颁行。曾被徐光启批评过的满城布衣魏文魁，利用徐光启去世的机会上言崇祯，攻击新历。崇祯命魏文魁另外组织东局，仍用传统的天文学理论制历与新法一试高低。待到崇祯皇帝认识到西法确实精密，欲颁诏实行时，明朝已临近灭亡。入清以后，曾参与修历的传教士汤若望把《崇祯历书》加以删改，上呈清廷，易名《西洋历法新书》，由清王朝颁行全国。
农政宏篇，福泽后人
徐光启勤奋治学，学识渊博，对科学的贡献是多方面的。然而真正使他名垂青史的，还是那部里程碑式的农学巨著《农政全书》。《农政全书》是继汉代《胜之书》、宋代陈《农书》、元代王祯《农书》之后一部农业科学的百科全书，这部徐光启倾注了大量心血的宏篇巨制，集中反映了他对农业和农学的巨大贡献，代表了我国古代农业科学发展的最高水平。
如前所述，徐光启自小生长在农家，一向关心农业生产，醉心农学试验，搜集了丰富的研究资料和试验数据，积累了大量的经验和心得。在徐光启的一生中，也陆续撰写了为数不少的农学著作，如《农遗杂疏》、《屯盐疏》、《种棉花法》、《北耕录》、《宜垦令》、《农辑》、《甘薯疏》、《吉贝疏》、《种竹图说》等等。这些书的产生，大都是作者针对一些农业生产上的具体问题有感而发，或就某种作物的种植提出意见。《农政全书》则是徐光启对古今中外农业生产和农学研究的利弊得失，结合自己的亲身经验，所作的全面总结。
《农政全书》的准确完稿时间已难详考，但大致可以判定初稿约完成于1625年（天启五年）到1628年（崇祯元年）间。徐光启生前，这部著作未能最后定稿，也没有最后定名为《农政全书》，只是被周围的人泛称为《农书》。此书的编纂历时颇久。还在徐光启是诸生的时候，他已经萌发了撰著大型农书的意愿，十分注意收集农事资料，经行万里，随事咨询。考中进士后，他长期供职于翰林院，研究条件和撰著条件均有改善，加上其后又有天津屯田的经历，大概已开始动手撰写，有得即书，渐积成帙。1619年（万历四十七年）他在写给座师焦的信中，曾经提到“《种艺书》未及加广”。《种艺书》很可能便是《农政全书》的原始稿本。1620年（泰昌元年），徐光启襄理军务，主持练兵，然处处受制，难以施展抱负，遂愤然于次年10月告病辞职。不久，又遭阉党参劾，罢官闲住。家居期间，徐光启对《农政全书》的草稿系统地进行增广、批点、审订、编排等工夫。直到天启六、七年间，工作大致告一段落，初稿基本编成。徐光启对此书寄予莫大的希望。据他的学生陈子龙记述，他曾经在徐光启担任礼部尚书时前去拜谒，徐光启对他说：“所辑《农书》，若己不能行其言，当俟之知者。”临终之际，徐光启还惦念着这部书，叮嘱孙儿徐尔爵：“速缮成《农政全书》进呈，以毕吾志。”可惜他终未能亲眼看到这一巨著勒定出版。徐光启去世后两年，即崇祯八年，陈子龙在娄县南园读书时，从徐尔爵处借得原稿过录，并送应天巡抚张国维、松江知府方岳贡阅览。张、方商定付刻，建议由陈子龙负责整理。据陈子龙说，徐光启的原稿“杂采众家，兼出独见，有得即书，非有条贯。故有略而未详者，有重复未及删定者”。陈子龙在谢廷桢、张密、徐孚远、宋征璧等人和徐氏子孙的帮助下，草拟凡例，删削繁芜，拾遗补阙，润饰文字，编次分卷，最后正式定名为《农政全书》，于1639年（崇视十二年）秋在陈子龙的宅舍平露堂付梓刊印。
经陈子龙整理后的《农政全书》，比起原稿，“大约删者十之三，《农政全书》书影增者十之二”，共六十卷五十余万字，分为十二目。十二目的分类由徐光启本人创制，包括：《农本》；《田制》；《农事》；《水利》；《农器》；《树艺》；《蚕桑》；《蚕桑广类》；《种植》；《牧养》；《制造》；《荒政》。
《农政全书》的分类涵盖了国家的农业政策、农业生产的各种基本条件如土地、天时、水利和农具等，以及林、牧、渔、农产品加工和备荒、救荒措施的各个方面，既全面，又系统，在体系上远远优于我国古代的其他大型农书，而与三百多年后的现代农学范畴极为接近。我们由此可以窥见这位伟大科学家的匠心独运。从内容上看，《农政全书》大致由两大部分组成。一部分是摘引前人的文献资料，即陈子龙在凡例中所说的“杂采众家”，这占了该书的大部分篇幅；还有一部分是徐光启的个人撰述，即陈氏所谓“兼出独见”，大约有六万多字。无论哪一部分，字里行间，都体现了徐光启严格的科学精神和严谨的治学态度。
据统计，《农政全书》共征引了二百二十五种文献，此外，尚有部分未注明文献来源的不包括在内。徐光启一生勤奋，博览群书，“大而经纶康济之书，小而农桑琐屑之务，目不停览，手不停毫”，从汗牛充栋的古代典籍中挑选出大量的农学资料，加以梳理条贯，编排到《农政全书》中去。所引文献有先秦的，有汉至元各代的，也有大量明代著作。多则全书、全篇、全章录入，少则只摘引只言片语。内容既有有关农业典制和行政管理的，也有农业理论和技术方面的，还有的涉及到历史、地理以至名物训诂等方面。徐光启杂采众家，广征博引，并非不加区别的一概照录，而是根据严格的编选原则，仔细地进行甄选。对于古代典籍中的阴阳五行谶纬等封建思想，他尽量予以剔除，摒弃不用。如对《胜之书》和《齐民要术》中的厌胜术等迷信内容，《农政全书》一概不予摘录。元末的《田家五行》，徐光启也只是选择了有科学价值的气象谚语部分。陈、王祯的农书都辟有“祈报篇”，宣扬农业收成的丰歉取决于祈天是否虔诚。徐光启反对这种唯心论的说法，《农政全书》一反旧例，不再设“祈报篇”。就是对那些已经摘入的文献，他也并不盲从前人的成说，而是大胆鲜明地亮出自己的观点和主张。这主要反映在他写的批注里。这些批注或诠释，或补充，或引证，或记事，或总结，或评论得失，或触类旁通。这些文字大都不长，内涵却非常丰富，不一而足。另外，徐光启对采摘的文献，每每圈圈点点，并用不少的符号加以区别，也自有其用意。
当然，最能反映徐光启在农学研究中取得的突出成就的，还是应当首推他个人所写的那一部分文字。这些文字都是徐光启对自己多年农学研究和种植实践所作的概括和总结，处处闪耀着科学的光彩。徐光启通过对蝗虫生活史的深入研究，发现了蝗虫的生活规律，为治理蝗灾提供了科学依据。他本人曾亲自试种过甘薯、棉花、女贞、乌臼、稻、麦、油菜等农作物和经济作物，对它们的习性有切身的体验，积累了丰富的栽培经验，他写下的心得就要比其他农书更深刻，更有实际指导意义。他对垦田、用水、养白蜡虫、养鱼也都有独到深刻的见地，在近八十种作物（包括农作物、果树、蔬菜、经济树木）项下写有注文和专文。这位科学巨匠坚决反对风土说，提倡异地引种的革新探索精神早已是有口皆碑。其实他还遗留下许多真知灼见有待发掘整理。比如，是他首先注意到把作物的收获部分，从谷实扩大到包含茎秆等的作物整体，用现代术语说，就是从经济产量的概念发展到生物量的概念。稗的产量低，历代农书都只当作备荒作物，徐光启却认为，“稗秆一亩，可当稻秆二亩，其价亦当米一石”，对稗的利用价值从生物量的角度作出正确的估价。徐光启的“独见”，或以整卷、整篇、整段的面目出现，或散见于引文之中，堪称字字珠玑。清初大学者刘献廷赞叹说：“玄扈天人，其所述皆迥绝千古”，“人间或一引先生独得之言，则皆令人拍案叫绝”。
下面再对《农政全书》十二目的基本内容作个概略的介绍。
《农本》三卷。农本思想在我国源远流长，自然经济和自耕农的大量存在是它的客观基础。农本思想的核心是把农业看成国家最重要的经济部门和主要的财政来源，把农民当作主要的统治基础和人力资源。这一思想在春秋战国时代已经萌芽，到战国时得到了充分的发展。先秦诸子中的儒家、墨家、稷下学派、李悝、商鞅、韩非以及汉初的贾谊、晁错，都非常重视农业，坚持“农为政本”的主张。重农思想作为主导的经济思想，一直贯穿漫长的封建社会时期，到明清两朝没有根本的变化。素来抱有富国强兵理想的徐光启，继承了传统的重农思想，认为只有“务农贵粟”，才是国家的“根本之计”。“古之强兵者，上如周公、太公，下至管夷吾、商鞅，各能见功于世，彼未有不从农事起者”。基于这种认识，《农政全书》开卷即言农本。首半卷《经史典故》列举了《五经》和史书中重视农业生产的言论和史实；一卷半《诸家杂论》摘引了《管子》、《吕氏春秋》、《亢仓子》、《齐民要术》等书的有关章节；第三卷全文收录了明人冯应京的《国朝重农考》。这些都是为了证明以农为本在中国有悠久的历史和深厚的社会基础，提醒人们关注农业问题，抓好农业生产，为国家富强社会安定打下坚实的根基。然而与古代农本思想重本抑末不同，生当晚明的徐光启坚持重本却并不抑末，反而提倡发展工商业，反映了资本主义生产关系的萌芽的经济要求，使他的农本思想有鲜明的时代特征。
《田制》二卷。一卷是徐光启自作的《井田考》，对西周井田制的划分方法进行了细致的考证，其中对西周度量衡与明代度量衡换算方法的确定十分精彩。别一卷引录了王祯《农书》田制图说的全文。他认为，王祯作诗的水平要比农学的水平高，他的农学远远赶不上《农桑辑要》的编者苗好谦、畅师文等。
《农事》六卷。其中《营治》二卷介绍了《齐民要术》，陈、王祯两部《农书》和《农桑辑要》中关于垦殖、收种、播种、中耕、除草、灌溉种种农田管理措施。《开垦》二卷引用了诸葛升、汪应蛟、沈一贯、耿桔等人关于开荒垦田的文章，还录入了徐光启自己的《垦田疏》。徐光启有亲自垦荒的切身经历，对如何开辟荒芜土地变为良田，增加国家收入有精辟的见解。他在这里补写的两段文字，即移民垦荒时“主客”关系的处理和垦荒前的准备事项，对指导垦荒很有实际意义。另有《授时》、《占候》各一卷，分别采自旧典章旧农书和老农经验。
《水利》九卷。徐光启十分关心水利问题，在《农政全书》的凡例中他便说：“水利者，农之本也；无水则无田矣。”另外，从本目在《全书》所占的比重也是可以看得出来的，其中《西北水利》一卷，《东南水利》三卷、《浙江水利》一卷、《灌溉图谱》、《利用图谱》各一卷、《泰西水法》二卷。在这些章节中，不但有对用水理论的探讨，有水利器具的制作和使用方法，还有改善地方水利的具体意见。《西北水利》主要摘录郭守敬、徐贞明的著作，范围包括西起甘肃，东至河北、山东的整个黄河流域。《东南水利》主要针对太湖流域，辑录资料的来源是宋人范仲淹、元人任仁发和明代的吴恩、夏原吉、徐贯、耿桔等人的著作。《浙江水利》主要谈论浙东绍兴、上虞、宁波一带沿湖筑堤蓄水工程。《农政全书》的灌溉及利用图谱，录自王祯的《农书》。徐光启对取水工具写下不少评注，表明他对这些工具器械作了深入的研究。《泰西水法》是徐光启与传教士熊三拔合译的著作，介绍了一些西方的水利学原理和工程知识，其主要部分也被选入《农政全书》。
《农器》四卷。摘自王祯《农书》，介绍了常见农用工具的质料、形制、构造和用途，有较高的实用性。
《树艺》六卷。包含《谷部》二卷、《》一卷、《蔬》一卷、《果木》二卷。大都是汇集以往农书中的材料，介绍了各种作物的特性、用途和种植方法。书中特别强调选种，说“种蔬果谷诸物，皆以择种为第一义。种一不佳，即天时、地利、人力俱大半弃掷矣”。在说到甘薯时，书中充实了不少新材料，是徐光启写《甘薯疏》时征集到的。他指出了甘薯的十三个优点，认为此物易种高产，应大力推广。“甘薯所在，居人便足半年之粮，民间渐次广种，米价谅不至腾踊矣”。
《蚕桑》四卷。有《养蚕》、《栽桑》各一卷，《蚕事图谱》二卷，亦是采自王祯《农书》，介绍养蚕植桑的注意事项和养蚕工具、缫丝工具的使用方法，提出了“连冷盆”的建议。
《蚕桑广》二卷。其中《木棉》、《麻》各一卷。徐光启的家乡松江地区是盛产棉花的地方，他收集了不少民间的种植栽培经验，还专门写了《吉贝疏》，宣传推广植棉技术。在《农政全书》中，有关作物栽培谈得最多的也是棉花。他对选种、种籽的收藏和播前处理都有精辟独到的见解。他提倡早种，强调深根和病虫害防治，主张稀植、短干，重用基肥，这些措施都是适应当时耕作水平的。关于麻的种植则主要依据旧农书写成。
《种植》四卷。有《种法》一卷、《木部》一卷、《杂种》二卷。《种法》主要介绍园圃布局、树木嫁接、整枝、防鸟害、治虫等项技术。《木部》介绍了榆、松、槐、杨、梧桐、乌臼、女贞等三十余种树木的种法和用途。徐光启极力主张多种乌臼以取油料，多种女贞以取白蜡，称这两种树“其利济人，百倍他树”。对如何养虫生蜡作了生动细致的记述。《杂种》着重介绍了竹、茶、菊以及其他药用、染料和水生作物。
《牧养》一卷。谈到马、驴、牛、羊、鸡、鸭、鹅、鱼、蜂等家畜家禽的饲养技术。
《制造》一卷。主要讲述酿制酒、酱、醋技术和各种食物的制作方法、房屋建筑方法以及一些洗涤、收藏、修补方法。
《荒政》十八卷。从篇幅上看，这一部分占了全书的三分之一。其中《备荒总论》半卷引用了《梁传》、《荀子》、《管子》、晁错、陆贽、苏轼等大量古今文献中的救荒言论，以阐明“有备无患”和“人定胜天”的思想主旨，强调预防为主。《备荒考》二卷半分别列举了从隋到明历代备荒赈灾的措施，以及一些具体的渡灾办法。最后是《救荒本草》十四卷和《野菜谱》一卷，收录了可以代食充饥的草、木、粮、果、菜类数百种，供灾荒时采用。这一部分大概是因为徐光启的原稿比较凌乱，陈子龙在整理时没能仔细考订，多加斟酌，把徐光启抄录来供参考用的文献资料统统编了进去，所以夹杂了一些无用的，甚至有迷信思想的成分，与全书严整的章法显得不够协调。
徐光启编写《农政全书》，对于农田水利、土壤肥料、选种嫁接、防治虫害、改良农具、食品加工、丝织棉纺等农业科学技术和农民生活的各个重要方面，都就当时能够达到的认识水平进行了深入细致的探讨，提出了自己的见解，并批判了阻碍生产技术进步的各种落后思想和落后方法。他把富国强兵的热望和对广大农民的深切同情寄托在这部划时代的巨著中。《农政全书》在历史上最早从国家政策的角度全面检讨“农政”的经验教训，对垦荒、水利、荒政给予特别的关注，系统总结了我国古典农业科学，这些都是他远远超出前人的地方。这样一部巨著，由一位年逾六旬、体弱多病的老者独力撰述，其艰难程度是可以想象的。只有凭着对国家对民族的挚爱和对科学的执着追求，凭着坚韧不拔的毅力和锲而不舍的精神，这位杰出的科学家才会给后人留下这样一笔丰厚的遗产。
虽然因为时代条件的限制和认识水平的局限，以及整理者未能完全理解徐光启的编写意图，使得《农政全书》也有一些不足之处，但瑕不掩瑜，随着时间的推移，这部著作蕴含的巨大科学价值，越来越清楚地为世人所认识。自从平露堂版本《农政全书》问世以来，此书一再被刊刻印行。迄今为止，《农政全书》的各类版本不下十种，对指导我国古代农业生产发挥了重要作用。作为我国传统农学发展史上的里程碑，它将永远熠熠生辉。
徐光启生活的时代，正是中国封建社会的末世。新生的资本主义生产关系萌芽，尽管最早在他的故乡孕育生长，毕竟还相当微弱，更谈不上在政治舞台和意识形态方面为自己争得一席之地。主宰着徐光启和与他同时代知识分子的，依然是封建正统思想。作为占统治地位的地主阶级的成员，虽然最后升迁到内阁大学士的高位，但仕途多艰，他在政治上的建议和主张很少被采纳，始终没有机会施展其富国强兵的抱负，建树不大。虽曾一度督练新军，也因处处受制而失败。可是，徐光启毕竟与一般封建官僚的声色犬马、奢侈糜烂不同，他清白自守，淡于名利，把全部聪明才智倾注于科学研究事业，对祖国科学发展作出了杰出的贡献。他的科学思想，如注重逻辑实证，采用实验手段，强调会通中西，讲求实学，重视培养人才，在中国科学发展史上占有重要地位。他主持编写《崇祯历书》，尤其是独自编著《农政全书》，创下了辉煌的科学业绩。所有这些，都是人们至今仍对他怀念和景仰的根本原因。
