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。徐光启运用西方科技解释农业生产，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4～5倍，据13世纪英国《亨利农书》记载为3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4～5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。徐光启相继在天津、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，他因练兵受挫，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，一个环节一个环节地推敲，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。