1604年，徐光启走完了他科举旅程中的最后一站，中了进士，进翰林院为庶吉士。从此，他把平生痛恨的八股文一概扔到一边，而专门致力于有益致用的实学。徐光启是个学者型的官员，他以自己平日所学去救正时弊。针对明王朝政治、军事、经济的腐朽现状，他提出一系列改革方案，如《拟上安边御虏疏》、《处置宗禄查核边饷议》、《海防迂说》、《漕河议》等等，都是他这一阶段纵论时务的心血之作。但是由于人微言轻，以及大贵族，大官僚的排挤和反对，徐光启的这些合理的方案不能得以实施。这时候，利玛窦也从南京来到北京，从此徐光启和利玛窦可以更方便地交流和探讨。在政治上失意的徐光启将满腔报国之情寄托于科学技术的钻研。他向利玛窦学习天文、算学、历法、水利、地理等学科，无一不与国计民生关系密切。不仅要自己学习，徐光启还希望把西洋科学介绍到中国，让科技之花开遍神州。为了实现这一美好心愿，他向利玛窦提出翻译西洋书籍的要求。
两人合作先从基础学科入手，首先翻译欧几里德的《几何原本》。《几何原本》是一本专门研究空间图形的形状、大小和位置及相互关系的书，在当时的欧洲一直受到科学家的赞誉，并被作为教科书使用。徐光启选译这本科学名著，显示了他学者的眼光。点、线、直线、曲线、平行线、角、直角、锐角、钝角、三角形、四边形……这些数学课本上耳熟能详的术语，都是徐光启在400年前定下来的。 《几何原本》的翻译，极大地影响了中国原有的数学学习和研究的习惯，改变了中国数学发展的方向，因而，这个过程是中国数学史上的一件大事。继《几何原本》之后，徐光启翻译了《测量法义》，又与李之藻、熊元拔等人合译了《泰西水法》、《同文算指》。在他所编译的《大测》二卷中，首次向中国人介绍了平面三角、球面三角等概念，并首先作了视差、蒙气差和时差的订正。
编制历法，本为历代王朝所重视。但是到了明末，却明显地呈现出落后的状态。一方面是由于此时西欧的天文学快速发展，另一方面则是明王朝禁研历法政策的结果。明沈德符《万历野获编》所说"国初学天文有历禁，习历者遣戍，造历者殊死"，指的就是此事。明代施行的《大统历》已严重不准。据《明史·历志》记载，自成化年间开始(1481年)陆续有人建议修改历法，但建议者不是被治罪便是以"古法未可轻变"，"祖制不可改"为由遭拒。万历三十八年(1610年)十一月日食，司天监再次预报错误，朝廷才决定由徐光启与传教士等共译西法。直至崇祯二年五月朔日食，徐光启以西法推算最为精密，礼部奏请开设历局。以徐光启督修历法，改历工作终于走上正轨。徐光启在天文历法方面的成就，主要集中于《崇祯历书》的编译和为改革历法所写的各种疏奏之中。在历书中，他引进了圆形地球的概念，明晰地介绍了地球经度和纬度的概念。他为中国天文界引进了星等的概念，根据第谷星表和中国传统星表，提供了第一个全天性星图，成为清代星表的基础。
万历四十六年(公元1618年)，努尔哈赤举兵南侵，攻占明朝东北的抚顺、清河等地。消息传到北京，朝廷上下为之震惊，群臣议论纷纷，无计可施。礼部侍郎何崇彦向神宗推荐徐光启，称徐光启熟知兵术，精通战守之策。神宗急召徐光启进京受命。身为左春坊左赞善(东宫官)的徐光启此时正在天津养病，得神宗诏令后不顾疾病缠身，立即动身进京听命。万历四十七年(公元1619年)，明廷再传噩耗，辽东经略杨镐率领40万大军兵分四路讨伐后金，被努尔哈赤各个击破，以空前的惨败告终，这一次兵败震动了整个京师，北京米价为之猛涨。
