萬歷三十六年（1608年），邀請(qǐng)郭居靜至上海傳教，這成為天主教傳入上海之始。守制期間，他整理定稿了《測(cè)量法義》，并將《測(cè)量法義》與《周髀算經(jīng)》《九章算術(shù)》相互參照，整理編撰了《測(cè)量異同》，作《勾股義》一書，探討商高定理，開辟雙園、農(nóng)莊別墅，進(jìn)行農(nóng)作物引種、耕作試驗(yàn)，作《甘薯疏》《蕪菁疏》《吉貝疏》《種棉花法》和《代園種竹圖說》。

萬歷三十八年（1610年），徐光啟回到北京，官復(fù)原職。因欽天監(jiān)推算日食不準(zhǔn)，他與傳教士合作研究天文儀器，撰寫了《簡(jiǎn)平儀說》《平渾圖說》《日晷圖說》和《夜晷圖說》。

萬歷四十年（1612年），他向耶穌會(huì)教士熊三拔（P. Sabbathino de Ursis）學(xué)習(xí)西方水利，合譯《泰西水法》6卷。

萬歷四十一年（1613年），初冬，因與朝中一些大臣意見不合，徐光啟告病去職前往天津。他在房山、淶水兩縣開渠種稻，進(jìn)行各種農(nóng)業(yè)實(shí)驗(yàn)，先后撰寫了《宜墾令》《農(nóng)書草稿》《北耕錄》等書，為《農(nóng)政全書》的編寫打下了基礎(chǔ)。

萬歷四十四（1616年），年禮部侍郎沈榷連上三張奏疏，請(qǐng)求查辦外國傳教士，是為南京教難。徐光啟上《辯學(xué)章疏》為傳教士辯護(hù)。同年徐光啟回京復(fù)職，次年任詹事府左春坊左贊善。后病歸天津，作《糞壅規(guī)則》。

萬歷四十六年（1618年），后金努爾哈赤發(fā)兵進(jìn)犯關(guān)內(nèi)，徐光啟應(yīng)召星夜入京。

萬歷四十七年（1619年），薩爾滸之戰(zhàn)明軍戰(zhàn)敗，他多次上疏請(qǐng)求練兵，后擢升少詹事兼河南道御史，在通州督練新軍。但由于軍餉、器械供應(yīng)困難，練兵計(jì)劃并不順利。