万历三十五年（1607年）初，徐光启结束了作为翰林院庶吉士的三年学习生活，正式步入仕途。由于他一向勤奋学习，毕业成绩优异，因而被授予翰林院检讨的官职。能在体面、尊贵的翰林院工作，可谓前途一片光明。
当徐家上下还沉浸在喜悦中时，一件不幸的事发生了。这一年的四月二十八日，徐光启的父亲徐思诚在京城病逝。承受着巨大悲痛的徐光启向皇帝递交了解职还乡的奏折。这是为什么呢？原来按照中国古代的礼制，父母去世，做官的儿子要解职回乡守丧，闭门谢绝应酬，以二十七个月为期，通称为“三年在籍守制”。于是，这一年的八月十六日，徐光启护送父亲的灵柩南下，回到家乡上海县，直到万历三十八年（1610年）才回京复职。
这时的徐光启作为“京官”，在上海县城内的社会地位已经很高了，当地的官员、乡绅们都等着一睹他的风采。然而，每一次当地名流的聚会中都找不到徐光启的身影，人们纷纷猜测他的行踪。而在上海县城南门外康衢里一处名为“双园”的地方，人们时常会看到一位身穿麻布孝服的中年人，肩挑粪桶，手拿锄头，赤着双脚，在田地里施肥、锄草，劳作不休，忙得满头大汗。每当乡亲们走过，看到茂盛的庄稼，不禁会投来羡慕、尊敬的目光。偶尔路过的行人，怎么也不能想象，在这里劳作的庄稼汉，竟是贵为翰林院检讨的徐光启！
徐光启务农，并不是他的一时兴起，更不是为了标榜清高，而是基于他清醒的认识——兴盛农业，而兴盛农业是富国强兵之本。徐光启出身贫寒，从小就跟着父亲参加过农业劳动，加上在青少年时期，家乡频遇灾荒，他深刻体会到农民忍饥挨饿的痛苦，因此他立志改革农业，任何时候都不忘对农业和农学进行研究。他为自己取了个号，叫“玄扈”，因为我国古代把督促农桑的候鸟称作扈，他选这个字为号即表示要重视农业生产。早在20岁左右时，他就注意农田水利的兴修，关注家乡水道的流向，还亲自测量过家乡周围河道的宽窄以及河底的深浅。这时的徐光启还善于经营规划，曾有一块长满杂草的水淹地，乡亲们都认为是没有利用价值的荒地，徐光启把它略加修筑，种上柳树，竟得到不少柴火，除了供自己家烧用，还有多余的可以卖出，收获相当不错。
42岁那年，徐光启整理了自己历年的测量结果和水利设想，拟订了一份《量算河工及测量地势法》，呈送给当时的上海知县，供测算河工及测验地势时参考。这份水利工程计划书为修建龙华港及周边农田蓄水排水工程提供了很大帮助。
热心于农业、水利的徐光启早就想抽出些时间，对农业生产、水利工程进行系统的研究，这次回乡守制便给了他这样一个机会。他打算将自己家的田地和园子用作试验场，把自己在书本上看到的学问付诸实践，如果成功了，也可告慰操劳了一生的父母。
天有不测风云，就在徐光启回到上海后的第二年，江南地区连降大雨，江河湖水暴涨，松江、苏州、常州等地的农田多被淹没，粮食颗粒无收。洪水退去，紧接着便是饥荒，粮价飞涨，无数农户断了炊烟，灾民无以果腹，只好外出讨饭。目睹严重的灾荒，徐光启没有一蹶不振，而是立即采取行动。他利用自己的身份地位，向万历皇帝递上奏折，请求朝廷拨付税金二十五万赈济江南地区。这笔钱款解决了灾民们的燃眉之急。可徐光启明白，这并没有解决根本问题，他渴望找到一种能帮助农民度过荒年的高产粮食作物，这样，即使将来再遇到灾害也不怕了。
正当徐光启为此苦苦思索的时候，从福建莆田来了一位姓徐的客商。他告诉徐光启，福建有一种叫甘薯的农作物，不怕干旱，不怕台风，产量比稻麦高出几倍，可替代农民半年的口粮，闽广一带农民赖以为生。徐光启听后，十分高兴，决心在家乡试种。
甘薯在我国又称番薯、山芋、红薯或地瓜，原产于中美洲，适宜在热带和亚热带地区栽种。大约在明代后期，也就是16世纪八九十年代由菲律宾传入我国福建、广东等地。由于甘薯产量高，食用方便，很快就成为我国南方农民的重要粮食来源。而在温带的上海，当时还没有人种过。
要把甘薯从亚热带的岭南地区移植到温带的长江下游地区，关键是要解决甘薯秧的安全越冬问题。最初的几次试验都失败了，那位莆田客商带到上海的薯秧在冬天被冻坏了，栽到地里无法存活。后来，徐光启想了个办法，他请莆田客商买好薯秧后在秋天栽到装有泥巴的木桶里，开春时从福建连桶带泥运来上海，然后再剪下藤枝栽到地里。这次试种终于成功了，入夏，田里长满薯藤，一片碧绿。秋收时，挖出的甘薯大如碗口，一亩可收数十石，比稻谷产量不知高出多少倍。收获的甘薯既可生吃，又可蒸煮、火烤、油煎，还可晒干后长期保存，更可磨粉、制酒，用处颇多。
徐光启的亲戚友邻闻知这一新品种后，纷纷前来品尝，还要求他介绍种植甘薯的经验。徐光启也认为这是救灾度荒的最佳高产粗粮作物，应该在更大范围内宣传、推广。于是，他编写了《甘薯疏》一文，系统地总结了在上海试种甘薯的经验，“疏”是分条说明的意思。在文章中，徐光启详细介绍了甘薯的种植时令、剪藤方法、生长特点、施肥技巧以及采收方法、食用方法、副食利用等方面，概括了种植甘薯的若干条好处。徐光启苦口婆心地劝说：“农人之家，不可一岁不种。”“决可令天下无有饿人也！”《甘薯疏》问世后，流传极广，影响遍及日本、朝鲜等国。
甘薯引种成功，在徐光启看来，是一个重大突破。他进一步预言，这种作物在黄河以北地区也大有发展前途。徐光启认为，倘若在地窖中收藏薯秧，应比江南留种更方便。果然，18世纪中叶以后，黄河流域也普遍种植甘薯，证实了徐光启的预言。
《甘薯疏》写成后的第二年，徐光启又写了《芜菁疏》。芜菁，俗称大头菜，由于其产量高，也可以用作度荒作物。芜菁性喜阴凉，原产中国北部和欧洲北部，明代以前只限于在北方种植。《唐本草》等传统农书认为，如果把芜菁种在南方，不出两三年就会退化变成白菜。徐光启认为不能盲目相信古书，他离开京城的时候，特意带了芜菁的种子回乡，准备在上海试着种植。可第一年长出来的芜菁块根很小，真的像白菜一样。
徐光启没有灰心，经过仔细观察，再参考自己以往的种植经验，他找到了症结所在。原来，南方种芜菁，结子多在芒种以后，正逢梅雨季节，日照不足，湿度大，影响光合作用。芜菁籽生长不结实，先天不足，加上种植密，肥料少，难怪长出的块根瘦小，外形像白菜了。针对这些问题，徐光启对芜菁作了改良，摘去一些芜菁的花蕾，使田里芜菁开花结子的时间有先有后，这样就总有一批芜菁结子的时间能避开梅雨，可以结出壮实的种子。同时，他又对栽种方法进行了改进，稀种植，厚施肥，勤松土。这样下来，芜菁果然在南方栽种成功了，而且块根越种越大，甚至大过小孩的头，芜菁便被人们称为大头菜了。徐光启为了纠正古人的观念，推广自己的经验，便写了《芜菁疏》。
甘薯北移成功，芜菁南移成功，在短短两三年间取得的这些成就，有力地驳斥了当时盛行的所谓任何地方生产的作物都是不可变动的保守观念。徐光启在文章中指出，各地有各种优良品种、高产作物，若能互相交流、广泛种植，社会上就可以不必担心食物不足，百姓也就不会饿死了。他认为，有些人局限于习惯和保守思想，动不动就搬出“风土不宜”的借口，反对农作物的推广，这种言论“大伤民事”。徐光启恳切地劝告农民切不可误信传闻，放弃利益。
除了试验引进江南地区迫切需要的高产粮食作物外，徐光启还尝试着推广种植有利于增加农民收入的经济作物。他逢人便劝说他们种植女贞树（又名冬青树）、乌桕树，认为女贞树可用来采集白蜡，解决照明问题；乌桕树可以榨油以作燃料，还可用于染发、造纸，极具经济价值。而且，徐光启尚且不满足于已经做的这些，他还把探索的目光投向了棉花。
棉花是宋末元初才在我国推广种植的经济作物，种植棉花要求的技术性很强，没有丰富的经验，一般收成不佳。另一方面，自从元代松江府人黄道婆向黎族人学习纺织技术并将之传回家乡后，上海地区的棉纺织业有了突飞猛进的发展。到了明代，松江府已成为全国棉纺织业中心之一，松江的棉布畅销全国，甚至作为贡品献给皇帝。这么一来，市场上对棉花的需求量更大了，迫切需要增加棉花产量。鉴于此，徐光启在自己试验研究的基础上，撰写了《吉贝疏》。
吉贝是我国古人对棉花的称呼。为了帮助农民掌握更好的技术，徐光启把他的经验编成了《吉贝疏》这本小册子。他分析了当地的气候特点、土壤条件，询问了农民们植棉的情况，自己又动手进行耕作、锄草。最后，徐光启指出了棉花低产的四大原因：种子不佳，播种太密，施肥不足，锄地不勤。为了让农民更好理解、更易操作，他把棉花丰产的条件总结为通俗的口诀：“精捡核，早下种，除根短干，稀料肥壅。”这些经验为我国棉花栽培技术的提高和种植业的发展，作出了重要贡献。
《甘薯疏》《芜菁疏》和《吉贝疏》这三“疏”，是徐光启在上海务农的心得与经验总结，是他的学识与实践能力的结晶。更为难能可贵的是，徐光启并未染上当时知识分子的通病，为炫耀学问而将文章故意写得深奥难懂，而是采用通俗易懂的形式，向农民宣传科学知识，让人易于、也乐于接受。这正是徐光启的过人之处。后来，这三“疏”被徐光启收入自己的农业巨著《农政全书》中，继续发挥着它们的作用。