历法见推……惟欲遂以此毕力，并应酬文墨一切迸除矣。何者今世作文集至千百万言者非乏，而为我所为者无一有。历虽无切于用，未必更无用于今之诗文也。况弟辈所为之历算之学，渐次推广，更有百千有用之学出焉。如今岁偶尔讲求数种用水之法，试一为之，颇觉于民事为便……弟年来百端俱废者，大半为此事所夺。”其中的“用水之法”，指的是与传教士熊三拔合译的《泰西水法》，书中介绍了西洋的水利工程作法和各种水利机械。
在此期间，徐光启还与传教士合作再次校订了《几何原本》并出版了第二版。同时他还为李之藻与利玛窦合译的《同文算指》、熊三拔编著的介绍天文仪器的《简平仪说》等书写了序言，这些序言表达了徐光启对传人的西方科技知识的看法。
向传教士学习科技知识的同时，徐光启对他们的传教活动也进行了协助，帮他们刊刻宗教书籍，对传教士的活动也有所庇护。徐光启的这许多行为，多被朝臣误解，加上与其他官员的一些意见不合，因此他辞去工作，在天津购置土地，种植水稻、花卉、药材等。在天津从事农事试验，其余时间则多是往来于京津之间，这期间，徐光启写成“粪壅规则”，并写成他后来的农学方面巨著《农政全书》的编写提纲。
北方后金叛乱军队袭击边关，经人介绍推荐，明廷召徐光启于病中，徐光启在写给焦竑的信中写道：“国无武备，为日久矣，一朝衅起，遂不可文。启才职事皆不宜兵戎之役，而义无坐视，以负国恩与师门之教”。他不但自己力疾赴命，同时还感召别人放弃安适生活，共赴国难。徐光启从事选兵、练兵的工作，这时他虽已年近60，而保国守土的爱国忠心，昭昭可鉴，不让壮年。
徐光启以詹事府少詹事兼河南道监察御史的新官衔督练新军，主张用兵之道，全在选练，选需实选，练需实练，这期间他写了各种军事方面的奏疏、条令、阵法等等，后来大都由他自选编入《徐氏庖言》一书之中。但是由于财政拮据、议臣掣肘等原因，练兵计划并不顺利，徐光启也因操劳过度，上疏回天津养病，辽东兵败，又奉召入京，但终因制造兵器和练兵计划不能如愿，再次辞归天津。
魏忠贤阉党擅权时，为笼络人心，曾拟委任徐光启为礼部右侍郎兼翰林院侍读学士协理詹事府事的官职，但徐光启不肯就任，引起阉党不满，被劾，皇帝命他闲住，于是他回到上海，在上海闲住期间，他进行《农政全书》的写作。徐光启自编的军事论集《徐氏庖言》，也是此时刊刻出版的。阉党弹劾徐光启练兵