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1606年秋天的一天，徐光启和往常一样与利玛窦探讨教义与科学知识。徐光启关心水利农政，其中有许多要用到测量学的地方。当他们说到测量学时，利玛窦告诉徐光启，古希腊大数学家欧几里得写了一部《几何原本》，被奉为传世经典，是西方科学的基础。他想把这部著作翻译成中文，将其中的内容传授给中国人，可这项工作十分艰难，数年来都没能完成。徐光启听后大为兴奋，决定和利玛窦一起完成这部书的翻译。
徐光启毕生致力于数学、天文、历法、水利等方面的研究
被派到中国的耶稣会士大多得学会中文。在肇庆期间，利玛窦和同事罗明坚 （本名Michele Ruggieri，耶稣会传教士，意大利人） 编写了一部《葡汉辞典》，帮助传教士了解和学习中文。在穿着上，耶稣会士起先选择僧服，后来认识到中国人对儒家学说的推崇，转而改穿儒服，以拉近与中国人的文化距离。
从此，每天下午三点到四点，徐光启都会来到利玛窦的居所，请利玛窦口译《几何原本》中的内容，自己用笔记录，精炼译文。有许多不懂的地方，徐光启反复向利玛窦请教。二人切磋琢磨，翻译工作有条不紊地进行着，这部西方的数学宝典，将从他们手中踏上古老的东方土地。
冬去春来，在徐光启和利玛窦的通力合作下，仅仅半年时间，他们就已将《几何原本》的前六卷翻译完成。徐光启想要一鼓作气，将剩下的九卷一并翻译完。利玛窦却担心中国人能否接受他们翻译的内容，同时有可能还因为对后九卷更艰深的内容把握不足，想把前六卷先刻书出版，看看效果再做决定。徐光启接受了利玛窦的提议，他们为这门学科起了个中文名称——几何。1607年5月，这部书的前六卷就以《几何原本》为名刻印出版。
徐光启手书《刻几何原本序》
然而就在此时，徐光启的父亲竟溘然辞世，这让徐光启陷入巨大的悲痛之中，后续的翻译工作不得不中断。根据中国传统制度，朝廷官员的父亲离世，需回乡守孝三年。1607年8月，在北京罕见的滂沱大雨中，徐光启与利玛窦依依惜别，返回故乡上海。
徐光启走后，李之藻又和利玛窦合作编译了《圜容较义》，这是一部讲解圆形面积与球形体积的数学著作。而在上海家中的徐光启也没有闲着，他将之前和利玛窦翻译的另一部关于西方测量学的书籍《测量法义》定稿，并将其中的内容和中国传统的测量学进行比较，写成《测量异同》。这时，他心里已逐渐形成了“会通中西”的构想。
徐光启和利玛窦合作翻译的《几何原本》
李之藻和利玛窦合作编译的《圜容较义》
徐光启也不忘自己长期关心的农业生产，守孝期间，他在徐家汇农庄中亲自试种各种作物，写了多篇农学论著，成为他日后编撰《农政全书》的基础。
1610年5月，徐光启三年守孝期将满，却从北京传来利玛窦因积劳成疾而撒手人寰的消息 （利玛窦去世后，其他传教士获万历皇帝批准，将他葬在了北京城西二里沟的一座寺庙） 。徐光启始终将利玛窦视为自己在科学道路上的导师，此时突闻噩耗，哀痛不已。想到未完成的《几何原本》翻译，徐光启更是忧从中来。
同年12月，徐光启守孝期满回到翰林院工作。刚一到任，就迎来了传播西学的新契机。原来钦天监对这一年农历十一月初一发生的日食测报不准，礼部因此寻求精通历法的人才，与钦天监共同修订历法 （明代官历《大统历》实际是元代郭守敬的《授时历》，到明末时已刊行300多年） 。钦天监官员周子愚向礼部推荐了利玛窦的两位同事庞迪我和熊三拔 （庞迪我，本名Didao de Pantoja，耶稣会传教士，西班牙人。熊三拔，本名Sabbathino de Ursis，耶稣会传教士，意大利人） ，因为他们带来了当时欧洲前沿的天文学知识，可以弥补中国传统历法的不足之处。
1612年初，礼部指派翰林院推荐的徐光启、南京工部员外郎李之藻与传教士庞迪我、熊三拔等人共同翻译西洋历法。徐光启还向熊三拔请教西方水利工程学，两人合作翻译了《泰西水法》一书。李之藻则以此前跟利玛窦所学的西方笔算为基础，编译成《同文算指》，并在书中将西方笔算与中国传统算学做了比较。
至此，距离利玛窦进入中国内地开创传教事业已过去了30年，因为有徐光启、李之藻、杨廷筠等朝廷官员为之宣传，天主教在中国的影响力日益增长，可同时也埋下了祸根。1616年6月，南京礼部侍郎沈㴶连上三道奏疏，称传教士蛊惑百姓，图谋不轨，请朝廷缉拿查办。7月，徐光启上《辩学章疏》为天主教辩护。然而到8月，礼部还是放出了查办传教士的风声，南京的多名耶稣会士都遭到了逮捕，史称“南京教案”。在此期间，徐光启、李之藻等人一方面继续为传教士辩护，另一方面尽力保护传教士和教友。1617年初，万历皇帝下旨驱逐传教士，庞迪我、熊三拔都被赶到了澳门，先后离世。1618年，沈㴶因罪被革职，教案风波才日渐平息。
谁知不久后，从大明王朝边境的萨尔浒传来了震动京城的消息，明朝军队分四路征讨由努尔哈赤所建立的后金政权，却被后金军队各个击破，几乎全军覆没。明朝经此一败，丧失了在辽东战场上的主动权，边境形势骤然紧张起来。而在宫廷内部，随着万历皇帝的驾崩又发生了一连串的政治斗争，新即位的泰昌皇帝在位一个月就暴毙，最终由15岁的天启皇帝继承了皇位。
后金军队接连攻破沈阳和辽阳，明朝的边患压力与日俱增，徐光启、李之藻等人也非常忧心，商议向洋人购买西洋火炮以增强军备。然而以魏忠贤为首的阉党独霸朝政，排除异己，徐、李二人也在被排挤之列，徐光启辞官回乡，李之藻被外调至广东任职。随着朝廷中魏忠贤的势力越来越膨胀，对天主教态度较为亲和的内阁首辅叶向高被迫辞职，杨廷筠也辞去了顺天府丞的职务。
远离京城内上演的一幕幕权力游戏，耶稣会士继续推进着传教事业。1620年前后，新一批耶稣会士金尼阁、邓玉函和汤若望 （金尼阁，本名Nicolas Trigault，耶稣会传教士，法国人。邓玉函，本名Jean Terrenz，耶稣会传教士，瑞士人。汤若望，本名Johann Adam Schall von Bell，耶稣会传教士，1592年出生于德国，精通天文历法，清顺治年间掌管钦天监） 等人带着大量的西方书籍先后抵达澳门。这些书籍中除了宗教神学典籍外，还有相当多的科学著作，内容涵盖了天文、地理、数学和物理学等。邓玉函还是意大利猞猁之眼国家科学院的院士，和当时著名的科学家伽利略既是同事，也是好友。
汤若望曾是罗马学院最优秀的毕业生，也是顺治、康熙两位皇帝的帝师
远离朝政的徐光启、李之藻等人趁此机会与传教士合作，翻译西方科学典籍，促进中西交流。
1627年，王徵 （1571—1644，1622年进士及第，与徐光启并称“南徐北王”） 任扬州推官，他对各种机械工程技术十分热衷，便向传教士邓玉函请教西方的机械工程学。两人合作翻译完成了中国第一部系统介绍西方力学和工程学的著作——《远西奇器图说》。除此之外，王徵还和金尼阁一起编著了《西儒耳目资》一书，提出用西方注音符号标注汉语语音的方法，堪称汉语拼音的雏形。
天启皇帝在位七年而驾崩，魏忠贤失去了最大的依靠。1628年，崇祯皇帝即位后，迅速剿除了魏忠贤的势力，被魏忠贤打压的一批官员也逐渐被重新起用。徐光启官复礼部右侍郎，回到北京任职，这为正式开启十多年前提出的历法改革提供了契机。
1629年五月初一日食，徐光启用自己掌握的西方天文学知识预先推算出全食带通过海南琼州，北京能看到食分较少的日偏食。徐光启称用西洋历法推算的结果比官方《大统历》和《回回 （回民的旧称） 历法》都要精确。崇祯皇帝严厉责备了钦天监的官员，钦天监上奏称《大统历》已沿用260多年未有改动，不可能没有差错。以徐光启为代表的礼部便趁机请求改历，获得了崇祯皇帝的初步同意。
《浑天仪说》是由汤若望根据欧洲天文著作编撰的一本关于天文仪器的著作
1629年秋天，历局正式成立，68岁的徐光启奉旨主持修历事务，在家乡丁忧守孝的李之藻被征召起用，传教士邓玉函和龙华民 （本名Nicolo Longobardi，耶稣会传教士，意大利人） 也参与进来，协助徐光启翻译历法。十多年前的改历提议终于步入了正轨。
第二年，徐光启升任礼部尚书，但邓玉函和李之藻相继离世，给历法翻译的推进工作造成了损失。徐光启悲痛之余，推荐传教士汤若望和罗雅各 （本名Giacomo Rho，耶稣会传教士，意大利人，精通数学、天文、历法） 顶替邓玉函继续参与改历。
另一方面，大明王朝的边境形势日趋严峻，曾经取得宁远大捷、用西洋火炮击败努尔哈赤的大将袁崇焕，遭到崇祯皇帝猜忌被处死。1631年末，山东登莱参将孔有德发动叛乱，史称“吴桥兵变”。
叛军攻至登州时，向登莱巡抚孙元化 （1581—1632，曾师从徐光启学习数学和火器） 诈降，孙元化不知是计，被叛军攻陷了登州城，自己和担任监军的王徵都不幸被俘。兵变消息传到朝中，大多数大臣认为是孙元化谋反。徐光启作为孙元化的恩师、王徵的教友，深知他们为人正义，绝不会行此大逆，表示愿以全家性命为他们担保。
半年后，官军收复了登州城，解救出孙元化和王徵，朝廷认为两人虽未参与谋反，但难逃失职重罪。尽管徐光启竭力为二人辩护，但孙元化仍被处死，王徵则被流放戍边。除了得意门生的惨死之外，更让徐光启痛心的是，随着叛将孔有德投降后金，叛军带走了不少西洋火炮和匠人，从此明朝对后金在军备上的优势也不复存在。
接踵而来的打击让年迈多病的徐光启难堪重负，他知道自己时日无多，恐怕难以见到历法改革的完成，于是一方面尽力推进西洋历法的翻译，另一方面向崇祯皇帝推荐同为教友的山东参政李天经 （1579—1659，精习天文历法） 为自己的接班人。
1633年11月8日，徐光启在北京去世，享年72岁。徐光启除了在数学、天文、历法等方面做出了突出的贡献，他还钻研农学水利和火器军事，他编著的《农政全书》就是一部指导农业生产的重要著作。徐光启谥号文定，后人尊称徐文定公。他的墓位于现今上海徐家汇光启公园内，公园旁有一条“文定路”，也是为了纪念他。这位在中国积极介绍西方科学技术的先行者，这位心系天下黎民百姓的科学家，把他的毕生精力都献给了国家。
徐光启于明崇祯六年（1633年）在北京去世，次年归葬原籍
徐光启去世后，历法的翻译工作由李天经、汤若望继续推进。到1634年初，他们终于完成了137卷西洋历法的编译，其中介绍了托勒密、哥白尼、第谷和开普勒等西方天文学家的理论，并采用第谷的“半地心半日心”体系作为核心。这部历法呈献给崇祯皇帝后，被赐名为《崇祯历书》，是中国第一部以西方天文学为理论基础的历法。
《崇祯历书》主编是徐光启，徐光启死后由李天经主持
《崇祯历书》虽已完成，并且几次历法校验证实比传统历法更为合时，却还是遭到来自保守派官员和历法家的诸多反对，迟迟没有投入使用。直到1638年，崇祯皇帝下诏，《崇祯历书》才勉强取得一个被参用的地位。
虽然受到保守派的打压，但每逢日食、月食这类检验历法的时机，《崇祯历书》总能显示出自己更高的精确性，这使得崇祯皇帝也逐渐认可西洋历法更为先进。1643年8月，崇祯皇帝终于下定决心施行西洋历法，但还没等到付诸实施，李自成领导的农民起义军便攻破北京城，终结了大明王朝的统治。