立志报效国家的徐光启出于爱国义愤，接连向神宗上了三道奏疏，披肝沥胆，痛切陈词，分析此次兵败之因，主张"正兵"自强。徐光启推出了以选才、造器，练兵、建台、联外为主要内容的"正兵"方案。他的"正兵"方案切中时弊，具有真知灼见。在徐光启的"正兵"方案中，他十分注重人才的选用，所以他把选才放在第一位。他一向认为"当今造就人才，要务必实用。"他引古语说："才过十人谓之英，过百人谓之雄，过千人谓之俊，过万人谓之杰。"他要造就和选拔的军事人才就是这样的"英"、"雄"、"俊"、"杰"。在制造兵器和练兵上，徐光启也把选拔人才放在首位，主张挑选通兵术、聪明机智的人掌管造器局，博求海内知名工匠进行兵器制造;认为兵不在多而在精，"总以精兵为根本"。吏部尚书赵焕、工科给事中祝耀祖等人对徐光启都非常赏识，纷纷奏请朝廷任命徐光启兼监察御史，专事练兵。神宗皇帝在朝中大臣的压力下，眼看外患不息，战争不止，敌军虎视眈眈，不得不于万历四十七年(公元1619年)八月下旨，晋升徐光启为詹事府少詹事，兼河南道监察御史，管理练兵事务。
徐光启承担训练新兵、防御都城的任务后，满怀信心地开始实践他的"正兵"计划。九月，他上疏十条有关练兵的事宜--关防、驻扎、将领、选士、军资、召募等。然而严酷的社会现实并不如他所想象的那样，他有职无权，徒有空名，向朝廷要兵没兵，要饷没饷，要器械没器械。他的练兵计划受到朝中昏聩大臣的阻挠，壮志难酬。徐光启曾跟利玛窦学习西洋火器，知其威力。明军在和后金的作战中，由于火铳数量少而且落后，屡次败北。徐光启就决心把制造火器摆到重要地位，以补充明军火器的不足。早在昌平练兵时，徐光启就写信托李之藻到澳门购买西洋火器。徐光启告假不久，辽东缉略袁应泰同后金作战失利自杀，辽阳失陷。危急的局势使朝廷又想起了徐光启，以紧急军务诏他回京。还朝之后，徐光启就向朝廷提出制造西方火器的主张，得到明熹宗的赞同，朝中工部尚书王佐等人也极力支持他的计划。他对这一前景充满信心，写信给李之藻展望计划成功后的美好图景。然而徐光启的这一希望又落空了。当时，朝中大权为宦官魏忠贤所把持，他结党营私，排斥异己。而徐光启为人正直，一心为国，不买魏忠贤的账，所以不可避免地受到魏忠贤的排挤。魏忠贤指使御史丘兆麟弹劾徐光启，使他制造火器的计划流产。徐光启满腔忧愤，再次称病辞职，回到老家上海去从事他的农业生产试验。
徐光启一生关于农学方面的著作甚多，计有《农政全书》《甘薯疏》《农遗杂疏》《农书草稿》《泰西水法》等。徐光启对农书的著述与他对天文历法的著述相比，从卷帙来看，数量虽不那样多，但花费时间之长用功之勤，实皆有过之而无不及。其中《农政全书》囊括了中国古代汉族农业生产和人民生活各个方面，而其中又贯穿着徐光启比较务实的治国治民的"农政"思想。全书分为十二目，共六十卷五十余万字。几乎涵盖了中国农业的所有方面。徐光启不仅研究了大量的农业资料，并且能够理论联系实际进行科学实验。甘薯最初是由国外引进中国的，起初只在福建沿海很少的一些地方种植。徐光启把它引进家乡种植，进行了多次试种，终于获得成功。在上海推广后，他又将甘薯的种植扩大到全国。中国大地此后人口大量繁衍，实多亏这一高热量植物的广泛种植。有史家认为，数十年之后清朝的"康乾之治"，其实为徐光启所推动的甘薯大量种植发挥了重要作用，才使中国人口得到了大幅度增长。
崇祯五年(公元1632年)五月，徐光启以本官兼任东阁大学士，入阁参与机务，不久又加太子太保衔，进为文渊伺大学士。这时他已70多岁了，朝政为奸臣温体仁、周延儒等人把持，他只能办些琐杂的行政事务，自己虽有满腹经济之才，却不能有什么建树。第二年十月，72岁的徐光启因过度劳累而逝世。徐光启死于任上，官拜宰相，位极人臣，但"盖棺之日，囊无余资"，两袖清风地离开了这个世界。
400多年前的中国，徐光启以传统士大夫身份，正视西方文化，接受外来思想挑战，堪为中国"睁眼看世界的第一人"。对于当时较为先进的西方文化，徐光启曾谓："欲求超胜，必先会通。会通之前，必先翻译。""翻译、会通、超胜"，乃徐光启学习西方文化的三个步骤。在那个时代，徐光启可谓打开了一个东西互相交融学习之窗口。史载，那时"西方愿意赞美东方，东方开始学习西方，东西方之间开展的是一场平等的知识大交易"。"那时，欧洲国王们不远万里派人到中国来拿线装书，葡萄牙国王最先拥有线装书，法王路易十四羡慕得不得了，也派人到中国来索取，拿到后很骄傲，展示给公爵、侯爵们看。"可见西方文化对于中国文化的向往。然而，自徐光启之后，明朝便陷入内乱外患的不利局面，连徐光启引进并改良的先进火炮，也最终因为明王朝的无能昏庸反而成为清朝入主中原的利器。历史给明朝的最后一个复苏机会，到底没有被抓住。
