万历三十八年（1610年）底，徐光启三年守丧期满，准备回京赴任。路途中，他心急如焚，恨不能立刻赶回京城。并非是徐光启急着做官，而是他在家乡收到了利玛窦去世的讣告，现在急着参加利玛窦的安葬仪式，亲自送上对这位良师益友的哀悼。往事历历在目，回顾与利玛窦灯下共译《几何原本》的情景，徐光启感慨万千。他想起自己离京前，利玛窦曾向他提过西方的水利器械大可借鉴过来，还把另一位传教士熊三拔介绍给他说：“此公是西方水利研究的专家，欲知详情，还需向他多多请教。”徐光启决心与传教士再次合作，翻译一本西方的水利书籍。
回到京城后，徐光启找到传教士熊三拔，婉言向他提出介绍西方水利器械的事。熊三拔也是意大利人，是利玛窦的后辈，为人聪明博学，精通天文和水利。但是他比利玛窦谨慎，因为介绍西方水利机械不在传教事务范围之内，否则会引起教士们的流言蜚语，影响他在教务方面的前程。他面有难色地推辞了这件事。
徐光启并没有因为熊三拔的拒绝而灰心，他已留意农田水利二十多年，对水利建设的重要性有强烈的认识，当他回到家乡，看到农民们仍旧使用落后的水车工具，十分费力，就更觉得有引进西方先进器械的必要。徐光启觉察到熊三拔的难处，劝熊三拔说：“天主不是造福于万民吗？先前的利玛窦先生把天文、历法、数学等知识毫不吝惜地传给我中华，备物致用，就是为了造福万民，结果他受到了广泛的赞誉。您如今向中国传授西方的水利知识，也是利玛窦先生当时的夙愿，如果愿望达成，将福泽后世，请您考虑一下吧。”这番话打动了熊三拔，他答应向徐光启每日讲授西方水力学原理和工程学知识。徐光启把熊三拔所说的内容一一记录下来，然后整理成文。
从万历三十九年（1611年）夏天开始，一直到万历四十年（1612年）春天，徐光启完成了《泰西水法》的编写工作，并着手付印刊行。泰西，就是西欧的意思；水法，是水利之法的意思。这次编译，与翻译《几何原本》不同。《几何原本》是数学名著，翻译时应力求忠实于愿意。而《泰西水法》的内容虽然主要是介绍西方水利，包括水利器具及水库工程等，然而徐光启并没有照本直译，而是结合我国原有的水利工具，选择西方科技中确实先进的部分，加以翻译整理。所以这本书实际上也是徐光启比较、研究东西方水利知识的成果集成。
《泰西水法》共六卷，前四卷讲取水、蓄水的方法。特别是前两卷全文介绍了三件水利器械的制作和使用过程。这三件器械便是龙尾车、玉衡车和恒升车，是从江河或井中汲水的工具，旱时可靠它们汲水灌溉，涝时可用它们抽出田间的水，它们不但功能强大，还可借助风力、水力或气压推动，很省人力。徐光启的好友曹于汴评价说，有了这些器具，“江河之水，井泉之水，雨雪之水，无不可资为用，用力约而收效广”。《泰西水法》的第五卷讲水质、水理。第六卷为图集，绘出了有关器具的图式。书前，徐光启写有《泰西水法序》，指出如果水利搞好了，“富国足民，或且岁月见效”。这种说法是很有见地的。
尤为可贵的是，徐光启不仅做了一般的文字翻译，他还结合上实物的试验。他请来许多木工，把熊三拔介绍的西方水利器械一一制出成品，然后应用到农田中试验功效。一时间，熊三拔的天主教堂中到处摆放着水利工具部件，还聚集着许多手工工匠，随着徐光启一同专心地听着讲解。这种结合试验的翻译方法，受到了当时京城中学者的赞赏。很多人都派了能工巧匠来到徐光启这里学习制作方法。当时有一位农业专家，名叫彭惟诚，正在离京城南三十里的良乡试种水稻，听说京城的徐光启、熊三拔正在试制新式水利器械，便立刻派了几名工匠来天主教堂学艺，然后把制成的器械带回良乡，经过试验，效果非常好。此后，徐光启在天津垦殖时，又把这些水利器械带到天津试用，也立见功效。这样，《泰西水法》便成为了一个西法中用、中西自然科学结合的成功典范。
这时的徐光启，在引进西方先进农业科学方面还有不少其他的成就。他曾在写给家人的书信中提到应用“西洋种葡萄法”来嫁接葡萄以取得更好的品种。徐光启还谈到引用西洋的“制药露法”，把中国传统的中草药，如麦冬、何首乌、山药、酸枣仁等制成药液，长久储藏，有专家评价他“在中国药学史上添上了新的一页”。
正当徐光启在吸收西方先进科学方面卓有成效时，他的仕途却起了风波。徐光启自万历三十八年（1610年）回到京城后，仍任翰林院检讨一职。这是个较为清闲的官职，不负责具体的行政事务，所以有时候朝廷会派给他一些临时性的任务。万历三十九年（1611年），他被派到宫廷内部主管宦官的教学工作，就是教那些太监们识字。当时正是宦官得宠、仗势欺人的时候，一些没有骨气的知识分子常常就此巴结宦官，青云直上。但徐光启从内心里不喜欢这一工作，看不上趋炎附势者的嘴脸，不免得罪了一些宦官。到了万历四十一年（1613年），他又被委派为当年会试的同考官。本着提拔人才精神的徐光启又大大惹恼了一个名叫魏广微的宦官亲信。这个魏广微投靠宦官，常常为虎作伥，迫害排挤正直的知识分子。这一次，魏广微靠着宦官的势力当上了会试的同考官，与徐光启一同阅卷。魏广微妒才嫉贤，摈斥了品学兼优的鹿善继等人的试卷，使他们落选。而当徐光启再次阅卷时，认为这几人不仅治学严谨，而且为人正直，应试文章又都是经世致用之文，因此坚持把他们录选。这就引起了魏广微的嫉恨，他到处散布谣言，说了徐光启很多坏话，甚至说他与西洋传教士暗相勾结，图谋不轨。再加上这一时期，徐光启和一些有识之士主张修订历法，引起了守旧派的不满，闲言四起。这些使徐光启甚为愤恨，决心托病告假，离开京城这块是非之地，并利用这段时间进行农业科学实验，从另一途径为社会作些贡献。
选择什么地方进行农业试验，徐光启很是费了一番思索。他一度考虑过回上海老家，还给留在家乡的儿子写了一封信，希望儿子在上海城外再购置些田地。然而这个方案没能实行，上海人多地少，地价昂贵，没有太大的可能搞大型的农业试验场。这样，徐光启把目光转向了地广人稀的北方，最终选择了天津。那时，天津一带有很多荒田，既有水源，地价又极为便宜，给政府交的税又轻，实在是个理想的地方。而且天津离京城近，便于联系熊三拔等传教士，对徐光启继续从事科学研究比较有利。更为重要的是，徐光启通过自己在京城多年生活的体验，发现南北方的经济发展很不平衡，特别是在粮食生产这个关系国计民生的大问题上，北方要远远落后于南方，每年的南粮北调费时费力，还需几百万的漕运费用。徐光启希望通过在北方试种、推广水稻及其他南方高产粮食作物和经济作物，使北方的农业生产发展水平接近江南，从根本上改变南北经济发展不平衡的局面。
万历四十一年（1613年）秋末冬初，徐光启带着他的理想和科学知识来到天津，从最初的八百亩田地做起，一步步地实践着他的农业试验计划。最初两三年，他种植小麦获得成功，不但有了充足的资本，而且具备了将试验进行下去的充足信心。
做足了准备工作，徐光启着手在天津农田里播种水稻。他先细心地研究了农田的地势和周围的河道，又研究了滨海盐碱地的特性，发明了适用于当地既可抗旱防涝，又可洗碱的水利工程技术，使水稻得以顺利成活。然而试种当年并没有收成。虽然稻秧长得挺拔壮实，根大如斗，但并不结实饱满，以致一年到头颗粒无收。徐光启并没有气馁，而是积极地寻找原因。原来，徐光启为水稻施肥用的还是江南地区的老办法，并不适用于北方的土质。经过多方询问和试验，徐光启改用麻灰作肥料，大大改善了水稻的生长条件。万历四十五年（1617年），徐光启试种水稻获得成功。后来，经过一代又一代不断总结经验，他培育出了一种叫“小站稻”的优良品种，天津地区也成为了我国北方产稻的重要中心。这是和徐光启的辛勤努力分不开的，南稻北种的成功，为北方种植水稻积累了丰富的经验。