為便……弟年來百端俱廢者，大半為此事所奪。”（《徐光啟集&；#8226；致老親家書》）其中的“用水之法”，指的是萬曆四十年（1612）與傳教士熊三拔（S．de Ursis）合譯的《泰西水法》，書中介紹了西洋的水利工程作法和各種水利機械。
在此期間，徐光啟還與傳教士合作再次校訂了《幾何原本》並出版了第二版。同時他還為李之藻與利瑪竇合譯的《同文算指》（此書介紹了西方的筆算數學）、熊三拔編著的介紹天文儀器的《簡平儀說》等書寫了序言。這些序言表達了徐光啟對傳人的西方科技知識的看法。
向傳教士學習科技知識的同時，徐光啟對他們的傳教活動也進行了協助，幫他們刊刻宗教書籍，對傳教士的活動也有所庇護。徐光啟的這許多行為，多被朝臣誤解，加上與其他官員的一些意見不合，因此他辭去工作，在天津購置土地，種植水稻、花卉、藥材等。萬曆四十一年至四十六年（16l3—1618）間，他在天津從事農事試驗，其餘時間則多是往來於京津之間。這期間，徐光啟寫成“糞壅規則”（施肥方法），並寫成他後來的農學方面鉅著《農政全書》的編寫提綱。
萬曆四十六年（1618）北方後金叛亂軍隊襲擊邊關，經人介紹推薦，明廷召徐光啟於病中。徐光啟在寫給焦竑的信中寫道：“國無武備，為日久矣，一朝釁起，遂不可文。啟才職事皆不宜兵戎之役，而義無坐視，以負國恩與師門之教”。他不但自己力疾赴命，同時還感召別人放棄安適生活，共赴國難。至天啟三年（1621）的三年多時間裡，徐光啟從事逃兵、練兵的工作。這時他雖已年近60，而保國守土的愛國忠心，昭昭可鑑，不讓壯年。
萬曆四十七年（16l9），徐光啟以詹事府少詹事兼河南道監察御史的新官銜督練新軍。他主張“用兵之道，全在選練”，“選需實選，練需實練”。這期間他寫了各種軍事方面的奏疏、條令、陣法等等，後來大都由他自選編入《徐氏庖言》一書之中。但是由於財政拮据、議臣掣肘等原因，練兵計劃並不順利，徐光啟也因操勞過度，於天啟元年（1621）三月上疏迴天津“養病”，六月遼東兵敗，又奉召入京，但終因製造兵器和練兵計劃不能如願，十二月再次辭歸天津。
魏忠賢閹黨擅權時，為籠絡人心，曾擬委任徐光啟為禮部右侍郎兼翰林院侍讀學士協理詹事府事的官職，但徐光啟不肯就任，引起閹黨不滿，被劾，皇帝命他“冠帶閒住”，於是他回到上海（1624）。在上海“閒住”期間，他進行《農政全書》的寫作（1625一1628）。徐光啟自編的軍事論集《徐氏庖言》，也是此時刊刻出版的。天啟五年（1625）閹黨彈劾徐光啟練兵為“孟浪無對”、“騙官盜餉”、“誤國欺君”等等，《徐氏庖言》的出版正是對這些不實之詞的回答。
崇禎帝即位，殺魏忠賢，閹黨事敗。崇禎元年（1628），徐光啟官復原職，八月，充日講官，經筵講官，為天子師。崇禎二年，他又升為禮部左侍郎，三年升禮部尚書，已是朝廷重臣。
這期間，徐光啟對墾荒、練兵、鹽政等方面都多所建白，但其主要精力則是用於修改曆法。前此自從與傳教士接觸之後徐光啟即留心天文曆法。萬曆四十年（16l2）就有入推薦由徐光啟督修改歷，未成。至此崇禎二年（1629）五月朔日食，徐光啟恢西法推算，其結果較欽天監為密，九月，朝廷決心改歷，令徐光啟主持。徐光啟從編譯西方天文曆法書籍人手，同時製造儀器，精心觀測，自崇禎四年（1631）起，分五次進呈所編譯的圖書著作。這就是著名的《崇禎曆書》，全書共46種，137卷。別人親見並記述了他的這段生活，說他“掃室端坐，下筆不休，一榻無椎……冬不爐，夏不扇……推算緯度，昧爽細書，迄夜半