在鞏固內部，充分發揮修曆人聰明才智的同時，徐光啟還同反對改曆的保守勢力進行了不懈的鬥爭。修改曆法在封建社會是關係王朝統治的大事，一些拘守舊法冥頑不化的人，處心積慮地設置障礙，阻撓修曆。1595年(萬曆二十三年)和1612(萬曆四十年)改曆的呼聲兩度形成高潮，但終因這些人以“祖宗之製不可變”為辭極力阻止而夭折。新的曆局設立以後，舊法與新法的論爭也從未中斷。徐光啟從中國天文學發展的曆史實際出發，反複闡說我國的曆法正是由於不斷改革而逐步完善的，治曆明時要依據天時的變化，不能拘泥古法而違背天象。他為了回答來自守舊人物如冷守中、魏文魁之流的攻擊，專門寫了《學曆小辯》一書。他在書中揭露了冷守中曆書玩弄的神秘數學遊戲，又指出魏文魁的曆法書不但數據陳舊，理論和方法上也有許多矛盾和漏洞。徐光啟還采取了用事實說話的辦法，凡遇有日食、月食，他都預先公布推算結論，然後在北京觀象台和國內其他地方觀象測驗，用測驗的結果證實新法的正確和優越，借以回擊守舊派，說服那些對新法懷有疑慮和成見的人。
徐光啟對待修曆的工作態度十分感人。當時他已是年近七旬的老翁，且又體弱多病，可對科學事業仍一絲不苟。每次觀測，他總要登上觀象台，親自操作儀器或進行指導。1630年(祟禎三年)12月31日，他登台安排觀測事宜，不慎失足墜落，腰膝受傷，很長時間難以行走。1632年(崇禎五年)5月4日月食，他不顧七十高齡，仍於夜間率領欽天監官員和曆局人員一同登台，守候在儀器旁進行觀測。當年6月，他以禮部尚書兼東閣大學士入閣辦事，白天處理完繁忙的公事；入夜回到寓所，仍秉燭奮筆，審訂新編成的曆書草稿。1633年11月7日是他生命的最後一日，他念念不忘修曆之事，再次上疏崇禎皇帝，推薦李天經接替曆局事務。他身居高位，操守清介。死後囊無餘資，官邸蕭然，除卻幾件舊衣服，留下的隻有一生著述的書稿。
《崇禎曆書》雖非最後完成於徐光啟之手，可他對於新曆的貢獻是其他人無法比擬的。這部凝聚了徐光啟半世心血的天文學巨著，在他去世後的第二年(1635年，崇禎八年)全部告竣。全書洋洋一百三十七卷，先後分五次進呈。其中徐光啟本人進呈三次，李天經進呈二次，李天經進呈的也多是經徐光啟定稿和審改過的。《崇禎曆書》是在明末中西文化交流新高潮的背景下完成的，是中外學者共同努力的智慧結晶。它不僅對傳統天文學作了一個總結，有了新的發展，而且大量吸收了歐洲天文學的先進成果。它的問世，標誌著我國傳統天文學開始走上世界近代天文學發展的軌道。
與傳統天文學比較，《祟禎曆書》有許多新的改革和進步。它的主要成就反映在下述幾個方麵：引入了明確的地圓觀念和地球經緯度的科學概念。這不但對破除舊有的天圓地方觀念有著重要的意義，而且也大大提高了推算日食的精度；認為各種天體與地球的距離不等，並且給出各種天體距地的具體數值，用於計算它們的行度；引入了蒙氣差校正，有助於提高觀測精度；引入了幾何學和三角學的計算方法，簡化了計算程序，提供了準確的計算公式，擴大了解題的範圍；提出了日月有高卑行度。日月在本天行度外還有循小輪運動，有距地遠近的變化，應當根據這種變化精確計算日月的近地點和遠地點；引入了新的歲差觀念，即恒星有本行，以黃極為極；采納了小輪體係和橢圓體係，用幾何運動的假設解釋了天體順、逆、留、合、遲、疾等天文現象；確定五星繞日運動，其運動方位是受太陽運動的速度變化而變化的；引進了一套完全不同於傳統天文學的度量製度。包括分圓周為360度，一日為96刻，60進位製，黃赤道坐標製等。這些重要變化，表明《崇禎曆書》帶來了中國天文學的一場深刻變革，對清初天文學的繁榮產生了積極的影響。
不幸的是，《崇禎曆書》沒能夠立即頒行。曾被徐光啟批評過的滿城布衣魏文魁，利用徐光啟去世的機會上言崇禎，攻擊新曆。崇禎命魏文魁另外組織東局，仍用傳統的天文學理論製曆與新法一試高低。待到崇禎皇帝認識到西法確實精密，欲頒詔實行時，明朝已臨近滅亡。入清以後，曾參與修曆的傳教士湯若望把《崇禎曆書》加以刪改，上呈清廷，易名《西洋曆法新書》，由清王朝頒行全國。
農政宏篇，福澤後人
徐光啟勤奮治學，學識淵博，對科學的貢獻是多方麵的。然而真正使他名垂青史的，還是那部裏程碑式的農學巨著《農政全書》。《農政全書》是繼漢代《勝之書》、宋代陳《農書》、元代王禎《農書》之後一部農業科學的百科全書，這部徐光啟傾注了大量心血的宏篇巨製，集中反映了他對農業和農學的巨大貢獻，代表了我國古代農業科學發展的最高水平。
如前所述，徐光啟自小生長在農家，一向關心農業生產，醉心農學試驗，搜集了豐富的研究資料和試驗數據，積累了大量的經驗和心得。在徐光啟的一生中，也陸續撰寫了為數不少的農學著作，如《農遺雜疏》、《屯鹽疏》、《種棉花法》、《北耕錄》、《宜墾令》、《農輯》、《甘薯疏》、《吉貝疏》、《種竹圖說》等等。這些書的產生，大都是作者針對一些農業生產上的具體問題有感而發，或就某種作物的種植提出意見。《農政全書》則是徐光啟對古今中外農業生產和農學研究的利弊得失，結合自己的親身經驗，所作的全麵總結。
《農政全書》的準確完稿時間已難詳考，但大致可以判定初稿約完成於1625年(天啟五年)到1628年(崇禎元年)間。徐光啟生前，這部著作未能最後定稿，也沒有最後定名為《農政全書》，隻是被周圍的人泛稱為《農書》。此書的編纂曆時頗久。還在徐光啟是諸生的時候，他已經萌發了撰著大型農書的意願，十分注意收集農事資料，經行萬裏，隨事谘詢。考中進士後，他長期供職於翰林院，研究條件和撰著條件均有改善，加上其後又有天津屯田的經曆，大概已開始動手撰寫，有得即書，漸積成帙。1619年(萬曆四十七年)他在寫給座師焦的信中，曾經提到“《種藝書》未及加廣”。《種藝書》很可能便是《農政全書》的原始稿本。1620年(泰昌元年)，徐光啟襄理軍務，主持練兵，然處處受製，難以施展抱負，遂憤然於次年10月告病辭職。不久，又遭閹黨參劾，罷官閑住。家居期間，徐光啟對《農政全書》的草稿係統地進行增廣、批點、審訂、編排等工夫。直到天啟六、七年間，工作大致告一段落，初稿基本編成。徐光啟對此書寄予莫大的希望。據他的學生陳子龍記述，他曾經在徐光啟擔任禮部尚書時前去拜謁，徐光啟對他說：“所輯《農書》，若己不能行其言，當俟之知者。”臨終之際，徐光啟還惦念著這部書，叮囑孫兒徐爾爵：“速繕成《農政全書》進呈，以畢吾誌。”可惜他終未能親眼看到這一巨著勒定出版。徐光啟去世後兩年，即崇禎八年，陳子龍在婁縣南園讀書時，從徐爾爵處借得原稿過錄，並送應天巡撫張國維、鬆江知府方嶽貢閱覽。張、方商定付刻，建議由陳子龍負責整理。據陳子龍說，徐光啟的原稿“雜采眾家，兼出獨見，有得即書，非有條貫。故有略而未詳者，有重複未及刪定者”。陳子龍在謝廷楨、張密、徐孚遠、宋征璧等人和徐氏子孫的幫助下，草擬凡例，刪削繁蕪，拾遺補闕，潤飾文字，編次分卷，最後正式定名為《農政全書》，於1639年(崇視十二年)秋在陳子龍的宅舍平露堂付梓刊印。
經陳子龍整理後的《農政全書》，比起原稿，“大約刪者十之三，《農政全書》書影增者十之二”，共六十卷五十餘萬字，分為十二目。十二目的分類由徐光啟本人創製，包括：《農本》；《田製》；《農事》；《水利》；《農器》；《樹藝》；《蠶桑》；《蠶桑廣類》；《種植》；《牧養》；《製造》；《荒政》。
《農政全書》的分類涵蓋了國家的農業政策、農業生產的各種基本條件如土地、天時、水利和農具等，以及林、牧、漁、農產品加工和備荒、救荒措施的各個方麵，既全麵，又係統，在體係上遠遠優於我國古代的其他大型農書，而與三百多年後的現代農學範疇極為接近。我們由此可以窺見這位偉大科學家的匠心獨運。從內容上看，《農政全書》大致由兩大部分組成。一部分是摘引前人的文獻資料，即陳子龍在凡例中所說的“雜采眾家”，這占了該書的大部分篇幅；還有一部分是徐光啟的個人撰述，即陳氏所謂“兼出獨見”，大約有六萬多字。無論哪一部分，字裏行間，都體現了徐光啟嚴格的科學精神和嚴謹的治學態度。
據統計，《農政全書》共征引了二百二十五種文獻，此外，尚有部分未注明文獻來源的不包括在內。徐光啟一生勤奮，博覽群書，“大而經綸康濟之書，小而農桑瑣屑之務，目不停覽，手不停毫”，從汗牛充棟的古代典籍中挑選出大量的農學資料，加以梳理條貫，編排到《農政全書》中去。所引文獻有先秦的，有漢至元各代的，也有大量明代著作。多則全書、全篇、全章錄入，少則隻摘引隻言片語。內容既有有關農業典製和行政管理的，也有農業理論和技術方麵的，還有的涉及到曆史、地理以至名物訓詁等方麵。徐光啟雜采眾家，廣征博引，並非不加區別的一概照錄，而是根據嚴格的編選原則，仔細地進行甄選。對於古代典籍中的陰陽五行讖緯等封建思想，他盡量予以剔除，摒棄不用。如對《勝之書》和《齊民要術》中的厭勝術等迷信內容，《農政全書》一概不予摘錄。元末的《田家五行》，徐光啟也隻是選擇了有科學價值的氣象諺語部分。陳、王禎的農書都辟有“祈報篇”，宣揚農業收成的豐歉取決於祈天是否虔誠。徐光啟反對這種唯心論的說法，《農政全書》一反舊例，不再設“祈報篇”。就是對那些已經摘入的文獻，他也並不盲從前人的成說，而是大膽鮮明地亮出自己的觀點和主張。這主要反映在他寫的批注裏。這些批注或詮釋，或補充，或引證，或記事，或總結，或評論得失，或觸類旁通。這些文字大都不長，內涵卻非常豐富，不一而足。另外，徐光啟對采摘的文獻，每每圈圈點點，並用不少的符號加以區別，也自有其用意。
當然，最能反映徐光啟在農學研究中取得的突出成就的，還是應當首推他個人所寫的那一部分文字。這些文字都是徐光啟對自己多年農學研究和種植實踐所作的概括和總結，處處閃耀著科學的光彩。徐光啟通過對蝗蟲生活史的深入研究，發現了蝗蟲的生活規律，為治理蝗災提供了科學依據。他本人曾親自試種過甘薯、棉花、女貞、烏臼、稻、麥、油菜等農作物和經濟作物，對它們的習性有切身的體驗，積累了豐富的栽培經驗，他寫下的心得就要比其他農書更深刻，更有實際指導意義。他對墾田、用水、養白蠟蟲、養魚也都有獨到深刻的見地，在近八十種作物(包括農作物、果樹、蔬菜、經濟樹木)項下寫有注文和專文。這位科學巨匠堅決反對風土說，提倡異地引種的革新探索精神早已是有口皆碑。其實他還遺留下許多真知灼見有待發掘整理。比如，是他首先注意到把作物的收獲部分，從穀實擴大到包含莖稈等的作物整體，用現代術語說，就是從經濟產量的概念發展到生物量的概念。稗的產量低，曆代農書都隻當作備荒作物，徐光啟卻認為，“稗稈一畝，可當稻稈二畝，其價亦當米一石”，對稗的利用價值從生物量的角度作出正確的估價。徐光啟的“獨見”，或以整卷、整篇、整段的麵目出現，或散見於引文之中，堪稱字字珠璣。清初大學者劉獻廷讚歎說：“玄扈天人，其所述皆迥絕千古”，“人間或一引先生獨得之言，則皆令人拍案叫絕”。
下麵再對《農政全書》十二目的基本內容作個概略的介紹。
《農本》三卷。農本思想在我國源遠流長，自然經濟和自耕農的大量存在是它的客觀基礎。農本思想的核心是把農業看成國家最重要的經濟部門和主要的財政來源，把農民當作主要的統治基礎和人力資源。這一思想在春秋戰國時代已經萌芽，到戰國時得到了充分的發展。先秦諸子中的儒家、墨家、稷下學派、李悝、商鞅、韓非以及漢初的賈誼、晁錯，都非常重視農業，堅持“農為政本”的主張。重農思想作為主導的經濟思想，一直貫穿漫長的封建社會時期，到明清兩朝沒有根本的變化。素來抱有富國強兵理想的徐光啟，繼承了傳統的重農思想，認為隻有“務農貴粟”，才是國家的“根本之計”。“古之強兵者，上如周公、太公，下至管夷吾、商鞅，各能見功於世，彼未有不從農事起者”。基於這種認識，《農政全書》開卷即言農本。首半卷《經史典故》列舉了《五經》和史書中重視農業生產的言論和史實；一卷半《諸家雜論》摘引了《管子》、《呂氏春秋》、《亢倉子》、《齊民要術》等書的有關章節；第三卷全文收錄了明人馮應京的《國朝重農考》。這些都是為了證明以農為本在中國有悠久的曆史和深厚的社會基礎，提醒人們關注農業問題，抓好農業生產，為國家富強社會安定打下堅實的根基。然而與古代農本思想重本抑末不同，生當晚明的徐光啟堅持重本卻並不抑末，反而提倡發展工商業，反映了資本主義生產關係的萌芽的經濟要求，使他的農本思想有鮮明的時代特征。
《田製》二卷。一卷是徐光啟自作的《井田考》，對西周井田製的劃分方法進行了細致的考證，其中對西周度量衡與明代度量衡換算方法的確定十分精彩。別一卷引錄了王禎《農書》田製圖說的全文。他認為，王禎作詩的水平要比農學的水平高，他的農學遠遠趕不上《農桑輯要》的編者苗好謙、暢師文等。
《農事》六卷。其中《營治》二卷介紹了《齊民要術》，陳、王禎兩部《農書》和《農桑輯要》中關於墾殖、收種、播種、中耕、除草、灌溉種種農田管理措施。《開墾》二卷引用了諸葛升、汪應蛟、沈一貫、耿桔等人關於開荒墾田的文章，還錄入了徐光啟自己的《墾田疏》。徐光啟有親自墾荒的切身經曆，對如何開辟荒蕪土地變為良田，增加國家收入有精辟的見解。他在這裏補寫的兩段文字，即移民墾荒時“主客”關係的處理和墾荒前的準備事項，對指導墾荒很有實際意義。另有《授時》、《占候》各一卷，分別采自舊典章舊農書和老農經驗。
《水利》九卷。徐光啟十分關心水利問題，在《農政全書》的凡例中他便說：“水利者，農之本也；無水則無田矣。”另外，從本目在《全書》所占的比重也是可以看得出來的，其中《西北水利》一卷，《東南水利》三卷、《浙江水利》一卷、《灌溉圖譜》、《利用圖譜》各一卷、《泰西水法》二卷。在這些章節中，不但有對用水理論的探討，有水利器具的製作和使用方法，還有改善地方水利的具體意見。《西北水利》主要摘錄郭守敬、徐貞明的著作，範圍包括西起甘肅，東至河北、山東的整個黃河流域。《東南水利》主要針對太湖流域，輯錄資料的來源是宋人範仲淹、元人任仁發和明代的吳恩、夏原吉、徐貫、耿桔等人的著作。《浙江水利》主要談論浙東紹興、上虞、寧波一帶沿湖築堤蓄水工程。《農政全書》的灌溉及利用圖譜，錄自王禎的《農書》。徐光啟對取水工具寫下不少評注，表明他對這些工具器械作了深入的研究。《泰西水法》是徐光啟與傳教士熊三拔合譯的著作，介紹了一些西方的水利學原理和工程知識，其主要部分也被選入《農政全書》。
《農器》四卷。摘自王禎《農書》，介紹了常見農用工具的質料、形製、構造和用途，有較高的實用性。
《樹藝》六卷。包含《穀部》二卷、《》一卷、《蔬》一卷、《果木》二卷。大都是彙集以往農書中的材料，介紹了各種作物的特性、用途和種植方法。書中特別強調選種，說“種蔬果穀諸物，皆以擇種為第一義。種一不佳，即天時、地利、人力俱大半棄擲矣”。在說到甘薯時，書中充實了不少新材料，是徐光啟寫《甘薯疏》時征集到的。他指出了甘薯的十三個優點，認為此物易種高產，應大力推廣。“甘薯所在，居人便足半年之糧，民間漸次廣種，米價諒不至騰踴矣”。
《蠶桑》四卷。有《養蠶》、《栽桑》各一卷，《蠶事圖譜》二卷，亦是采自王禎《農書》，介紹養蠶植桑的注意事項和養蠶工具、繅絲工具的使用方法，提出了“連冷盆”的建議。
《蠶桑廣》二卷。其中《木棉》、《麻》各一卷。徐光啟的家鄉鬆江地區是盛產棉花的地方，他收集了不少民間的種植栽培經驗，還專門寫了《吉貝疏》，宣傳推廣植棉技術。在《農政全書》中，有關作物栽培談得最多的也是棉花。他對選種、種籽的收藏和播前處理都有精辟獨到的見解。他提倡早種，強調深根和病蟲害防治，主張稀植、短幹，重用基肥，這些措施都是適應當時耕作水平的。關於麻的種植則主要依據舊農書寫成。
《種植》四卷。有《種法》一卷、《木部》一卷、《雜種》二卷。《種法》主要介紹園圃布局、樹木嫁接、整枝、防鳥害、治蟲等項技術。《木部》介紹了榆、鬆、槐、楊、梧桐、烏臼、女貞等三十餘種樹木的種法和用途。徐光啟極力主張多種烏臼以取油料，多種女貞以取白蠟，稱這兩種樹“其利濟人，百倍他樹”。對如何養蟲生蠟作了生動細致的記述。《雜種》著重介紹了竹、茶、菊以及其他藥用、染料和水生作物。
《牧養》一卷。談到馬、驢、牛、羊、雞、鴨、鵝、魚、蜂等家畜家禽的飼養技術。
《製造》一卷。主要講述釀製酒、醬、醋技術和各種食物的製作方法、房屋建築方法以及一些洗滌、收藏、修補方法。
《荒政》十八卷。從篇幅上看，這一部分占了全書的三分之一。其中《備荒總論》半卷引用了《梁傳》、《荀子》、《管子》、晁錯、陸贄、蘇軾等大量古今文獻中的救荒言論，以闡明“有備無患”和“人定勝天”的思想主旨，強調預防為主。《備荒考》二卷半分別列舉了從隋到明曆代備荒賑災的措施，以及一些具體的渡災辦法。最後是《救荒本草》十四卷和《野菜譜》一卷，收錄了可以代食充饑的草、木、糧、果、菜類數百種，供災荒時采用。這一部分大概是因為徐光啟的原稿比較淩亂，陳子龍在整理時沒能仔細考訂，多加斟酌，把徐光啟抄錄來供參考用的文獻資料統統編了進去，所以夾雜了一些無用的，甚至有迷信思想的成分，與全書嚴整的章法顯得不夠協調。
徐光啟編寫《農政全書》，對於農田水利、土壤肥料、選種嫁接、防治蟲害、改良農具、食品加工、絲織棉紡等農業科學技術和農民生活的各個重要方麵，都就當時能夠達到的認識水平進行了深入細致的探討，提出了自己的見解，並批判了阻礙生產技術進步的各種落後思想和落後方法。他把富國強兵的熱望和對廣大農民的深切同情寄托在這部劃時代的巨著中。《農政全書》在曆史上最早從國家政策的角度全麵檢討“農政”的經驗教訓，對墾荒、水利、荒政給予特別的關注，係統總結了我國古典農業科學，這些都是他遠遠超出前人的地方。這樣一部巨著，由一位年逾六旬、體弱多病的老者獨力撰述，其艱難程度是可以想象的。隻有憑著對國家對民族的摯愛和對科學的執著追求，憑著堅韌不拔的毅力和鍥而不舍的精神，這位傑出的科學家才會給後人留下這樣一筆豐厚的遺產。
雖然因為時代條件的限製和認識水平的局限，以及整理者未能完全理解徐光啟的編寫意圖，使得《農政全書》也有一些不足之處，但瑕不掩瑜，隨著時間的推移，這部著作蘊含的巨大科學價值，越來越清楚地為世人所認識。自從平露堂版本《農政全書》問世以來，此書一再被刊刻印行。迄今為止，《農政全書》的各類版本不下十種，對指導我國古代農業生產發揮了重要作用。作為我國傳統農學發展史上的裏程碑，它將永遠熠熠生輝。
徐光啟生活的時代，正是中國封建社會的末世。新生的資本主義生產關係萌芽，盡管最早在他的故鄉孕育生長，畢竟還相當微弱，更談不上在政治舞台和意識形態方麵為自己爭得一席之地。主宰著徐光啟和與他同時代知識分子的，依然是封建正統思想。作為占統治地位的地主階級的成員，雖然最後升遷到內閣大學士的高位，但仕途多艱，他在政治上的建議和主張很少被采納，始終沒有機會施展其富國強兵的抱負，建樹不大。雖曾一度督練新軍，也因處處受製而失敗。可是，徐光啟畢竟與一般封建官僚的聲色犬馬、奢侈糜爛不同，他清白自守，淡於名利，把全部聰明才智傾注於科學研究事業，對祖國科學發展作出了傑出的貢獻。他的科學思想，如注重邏輯實證，采用實驗手段，強調會通中西，講求實學，重視培養人才，在中國科學發展史上占有重要地位。他主持編寫《崇禎曆書》，尤其是獨自編著《農政全書》，創下了輝煌的科學業績。所有這些，都是人們至今仍對他懷念和景仰的根本原因。