因为事先看到了利玛窦在肇庆绘制的《山海舆地图》，对上面提供的经纬度、赤道、五带等地球知识饶有兴趣，又仰慕利玛窦的学识和为人，徐光启于1600年(万历二十八年)到南京拜访了利玛窦，聆听他的议论，对他的博学多识留下深刻的印象。不久，利玛窦前往北京向万历皇帝贡献方物。徐光启回到上海，继续教书和读书，并先后写下了《毛诗六帖》、《渊源堂诗艺》、《芳蕤堂书艺》、《四书参同》、《方言转注》、《读书算》、《赋囿》等经学、书法、小学、诗艺方面的着作十余部。1603年(万历三十一年)的秋天，徐光启再往南京访利玛窦，因后者居留北京不遇，遂与主持南京教堂的郭居静、罗如望两人晤谈。他读了《天主实义》、《天主教要》等传教着作，听罗如望讲了《十诫》等天主教的基本教义，观看了宗教仪式，决意受洗入教，并取了教名“保禄”。徐光启皈依天主教有多方面的原因。明中期以后，由于封建皇帝的提倡和庇护，佛教和道教大行其道，泛滥成灾，造成了学风的空疏败坏。士大夫往往标榜清流，束书不观，空谈竟日，视实务为浊为俗，不思如何能对国计民生有所建树。出身寒素而又饱经忧患的徐光启对这种现象极为不满，天主教的传入使他产生了一种期冀，以为可以用天主教印证儒教，补益王化，救正佛法，即所谓的“易佛补儒”。西方传教士传授的科学知识对历来学主实用的徐光启也产生了极大的吸引力，他觉得入教或许对学习和掌握西方科学技术知识能有所裨益。徐光启入教以后，开始了与传教士合作翻译西书，把西学介绍到中国的事业。不过徐光启受洗入教，也抬高了天主教的身价，扩大了天主教的影响。此后，他与李之藻、杨廷筠并称东南地区的“天主教三大柱石”。
1604年(万历三十二年)春，徐光启再度赴京参加会试，终于考中第八十八名进士，并被考选为翰林院庶吉士，进入翰林院学习。当时的翰林院庶吉士，大概相当于今天的科学院研究生，是朝廷着意培养的高级人才。翰林院的馆课主要是经史制艺对策之类。徐光启除了学习馆课而外，还读了一些时务书籍。为了集中精力攻读实用之学，他放弃了对诗词书法的爱好，专心致志地研习天文、兵法、农事、水利、工艺、数学等自然科学。他利用做馆课的机会揭露了一些社会弊端，提出了自己的兴革主张。如他在《题陶士行运甓图》诗中写道：“典午朝臣鲜尚宾，竟以旷达相矜夸。娓娓玄谈未终席，纷纷胡骑乱如麻。白玉麈尾黄金埒，瓮间酒龙声嗑嗑。谁使神州陆沉者，空复新亭泪成血。”诗中借东晋君臣空谈误国的旧事，讽谕当时弥漫于学坛的空疏之风。
流传至今的徐光启馆课作品中，《海防迂说》、《漕河议》、《处置宗禄查核边饷议》、《拟上安边御虏疏》四篇文章，集中反映他在政治、经济、军事等方面的改革思想。《海防迂说》针对倭寇为害东南海疆的现状，考察了倭患的发展历史和沿海富商豪族与倭寇勾结的情况，提出“官市不开，私市不止”的见解，主张正式与日本通商。这样，一来可以使中国的丝帛等货物找到市场；二来掌握了主动权，日人来市则予之，来寇则歼之；三来可随时绝市，制御倭寇。《拟上安边御虏疏》则主要是针对北部边境来自鞑靼、瓦勒等部族的威胁的。疏中提出了一套练兵筹饷的办法，包括战略上先求可以守，次求可以战，再求可以大战；人员上选练十万精兵，作为野战的主力；战备上务农贵粟，实行屯田等等。《处置宗禄查核边饷疏》指出宗室俸禄已成为国家财政的巨大负担，建议把实物俸禄改为封给土地，使其“自生粟帛而衣食之”。《漕河议》提出南粮北运，縻费巨大，应该把黄河、淮河的水用来种植谷物，减轻漕运负担。治理运河，应当以科学测量为依据，根据地形水势加以疏导。徐光启的这些建议，虽不乏真知灼见，但并未受到统治者特别的重视。
就读翰林院期间，徐光启与客居北京的利玛窦交往甚密。他时常布衣徒步，前往利玛窦邸舍问学。利玛窦还在罗马时，就师从天主教的着名学者克拉维神父，学过数学、地理和天文学方面的知识。到达中国后，他发现这个古老的东方国家地广物丰，人口众多，文化传统历史悠久，博大精深。他感到在中国传教，如果采取在其他地区惯用的强硬方式，恐怕难以奏效，于是转而推行一种学术传教的路线，主动地介绍一些西方的科学知识到中国。他先是用三棱镜、自鸣钟、日晷仪之类的精巧玩意唤起高官名士的好奇，接着又绘制了《万国舆地图》，介绍西方天文学知识。徐光启在与利玛窦的交谈中，一再要求与之合作，把后者从罗马带来的西方科学书籍翻译成汉语，以便更多的人能够学习。在徐光启的请求下，大概从1605年(万历三十二年)到1606年(万历三十四年)间开始，两人开始合译西方数学的经典着作，即欧几里得的《几何原本》。
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、曹于汴等着名学者，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，对传统数学的经典着作《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，徐光启的研究和着述，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做法，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》)。陈旉主张“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。