傳教士的活動也有所庇護。徐光啟的這許多行為，多被朝臣誤解，加上與其他官員的一些意見不合，因此他辭去工作，在天津購置土地，種植水稻、花卉、藥材等。萬曆四十一年至四十六年（16l3—1618）間，他在天津從事農事試驗，其餘時間則多是往來於京津之間。這期間，徐光啟寫成“糞壅規則”（施肥方法），並寫成他後來的農學方面鉅著《農政全書》的編寫提綱。
萬曆四十六年（1618）北方後金叛亂軍隊襲擊邊關，經人介紹推薦，明廷召徐光啟於病中。徐光啟在寫給焦竑的信中寫道：“國無武備，為日久矣，一朝釁起，遂不可文。啟才職事皆不宜兵戎之役，而義無坐視，以負國恩與師門之教”。他不但自己力疾赴命，同時還感召別人放棄安適生活，共赴國難。至天啟三年（1621）的三年多時間裡，徐光啟從事逃兵、練兵的工作。這時他雖已年近60，而保國守土的愛國忠心，昭昭可鑑，不讓壯年。
萬曆四十七年（16l9），徐光啟以詹事府少詹事兼河南道監察御史的新官銜督練新軍。他主張“用兵之道，全在選練”，“選需實選，練需實練”。這期間他寫了各種軍事方面的奏疏、條令、陣法等等，後來大都由他自選編入《徐氏庖言》一書之中。但是由於財政拮据、議臣掣肘等原因，練兵計劃並不順利，徐光啟也因操勞過度，於天啟元年（1621）三月上疏迴天津“養病”，六月遼東兵敗，又奉召入京，但終因製造兵器和練兵計劃不能如願，十二月再次辭歸天津。
魏忠賢閹黨擅權時，為籠絡人心，曾擬委任徐光啟為禮部右侍郎兼翰林院侍讀學士協理詹事府事的官職，但徐光啟不肯就任，引起閹黨不滿，被劾，皇帝命他“冠帶閒住”，於是他回到上海（1624）。在上海“閒住”期間，他進行《農政全書》的寫作（1625一1628）。徐光啟自編的軍事論集《徐氏庖言》，也是此時刊刻出版的。天啟五年（1625）閹黨彈劾徐光啟練兵為“孟浪無對”、“騙官盜餉”、“誤國欺君”等等，《徐氏庖言》的出版正是對這些不實之詞的回答。
崇禎帝即位，殺魏忠賢，閹黨事敗。崇禎元年（1628），徐光啟官復原職，八月，充日講官，經筵講官，為天子師。崇禎二年，他又升為禮部左侍郎，三年升禮部尚書，已是朝廷重臣。
這期間，徐光啟對墾荒、練兵、鹽政等方面都多所建白，但其主要精力則是用於修改曆法。前此自從與傳教士接觸之後徐光啟即留心天文曆法。萬曆四十年（16l2）就有入推薦由徐光啟督修改歷，未成。至此崇禎二年（1629）五月朔日食，徐光啟恢西法推算，其結果較欽天監為密，九月，朝廷決心改歷，令徐光啟主持。徐光啟從編譯西方天文曆法書籍人手，同時製造儀器，精心觀測，自崇禎四年（1631）起，分五次進呈所編譯的圖書著作。這就是著名的《崇禎曆書》，全書共46種，137卷。別人親見並記述了他的這段生活，說他“掃室端坐，下筆不休，一榻無椎……冬不爐，夏不扇……推算緯度，昧爽細書，迄夜半乃罷。”（張溥為《農政全書》所寫的序）這時，徐光啟已70歲了，但其研究熱情不減，親自實踐，目測筆書，融匯中西，不愧為一代科學家的風範。
崇禎五年（1632）六月，徐光啟以禮部尚書兼東閣大學士入閣，參予機要。“每日入值，手不停揮，百爾焦勞”，“歸寓夜中，篝燈詳繹，理其大綱，訂其細節”，這正是他宰相兼科學家繁忙生活的寫照。如此繁忙，不久，他就病倒了。這年十一月，加徐光啟為太子少保。
崇禎六年（1633）八月，再加徐光啟太子太保、文淵閣大學士兼禮部尚書，至此，他已是位極人臣了。十一月病危，仍奮力寫作“力疾依榻，猶矻矻捉管了曆書”，並囑家屬“速繕成《農書》進呈，以畢吾志”。
崇禎六年（1633）十一月七日，一代哲人逝世，終年72歲，溢文定，墓地現存於上海徐家彙徐墓公園。
只許州官放火不許百姓點燈
只許州官放火不許百姓點燈
宋朝時候，有個人名叫田登，平時與人交往十分挑剔、苛刻。後來，他當官做了郡守，那架子更大、脾氣更兇了，在老百姓面前擺譜擺得出了格。平時最忌諱別人說出他的名字，而且凡與他名字中那個“登”字同音的，都得換個說法。比如說“蹬”字，只能說“跳”，“登高”只能說“上高”。這還不算，老百姓用得最多的一個“燈”字，也被換成“火”字。誰要是一時疏忽說了“燈”字，那可就要倒黴了，一頓揍是少不了的；若遇上田登大