徐光啟從小聰穎好學，常常聽奶奶和媽媽給他講述倭寇侵擾的事情，以及鄉親們受倭寇的侵害;父親也以參加過抗倭鬥爭的親身經歷來教育徐光啟，既評論主事官的方略，又陳述自己的見解。這使徐光啟很小的時候就在心靈中紮下了愛國的種子。
徐光啟像徐光啟少時家貧，但他學習非常刻苦認真。少年時代他就讀了不少家藏兵書，培養了他對軍事謀略的興趣和對國運民生的關心。有一次，先生讓徐光啟和同學們談起理想志向，有的同學說長大要當富翁;有的說長大要當道士，而徐光啟卻認真地說自己長大要做大官，以治國安邦，倡導正義，反對邪惡。徐光啟的志向獲得了老師的好評。徐光啟20歲之時，到金山衛參加縣學考試，並一舉考中秀才。同年，徐光啟與吳氏結婚。為了維持家庭的生計，徐光啟開始在村學裡教書。他博覽群書，並留心農田水利，思索科學治理之道。徐光啟多次參加科考都不中，這使他內心非常苦悶，他不得不久居鄉間，進行教書與科學的求索。徐光啟在南京結識義大利人利瑪竇，他與利瑪竇廣泛交流，二人的晤聚成為中西文化交流的一次重要事件。利瑪竇廣博的西洋科技知識使徐光啟對科學產生了濃厚的興趣，並有了翻譯西方科技書籍，學習西方科學的願望。在利瑪竇的影響下，向利瑪竇學到了很多科學的知識與科學的理論，使徐光啟眼界大開。他立志要借西洋科技富國強兵。
利瑪竇像徐光啟以自己平時所學的東西去拯救時弊，他針對當時明王朝政治、軍事、經濟的腐朽現狀，曾經提出過一系列的改革方案，但是由於受到一些大官僚、大貴族的排擠，他的方案始終沒有得到施行。徐光啟的政治熱情也漸漸冷卻下來，於是他開始把更多的精力投入到對西方科學技術的學習上。與徐光啟已經成為好朋友的利瑪竇教給徐光啟許多西方天文、數學 曆法，水利、地理等方面的科學知識，使徐光啟受益匪淺。同時更加堅定了他進軍科學的心。
公元1606年，徐光啟與利瑪竇兩人合作譯出了歐幾裡德著名的《幾何原本》。這是我國科學史上第一部系統地引進外國的幾何學著作。徐光啟在翻譯時所創立的幾何學名稱如幾何、點、線、面、直角、平行線等一直沿用到今天。此外，他還翻譯有 《測量法義》、《測量異同》、《勾股義》等。在數學方面，徐光啟還撰寫了《九章算法》、《讀書算》、《定法平方算術》等，他的數學成就為中國傳統數學的振興和發展，為我國近代數學的建立打下了基礎。
《幾何原本》徐光啟的父親去世後，做官的徐光啟要離職守喪三年。三年間，守喪在家的徐光啟一邊參加勞作，一邊寫下了推廣經濟作物種植的 《甘薯書》、《芫菁疏》、《吉貝書》等。就是在此期間，徐光啟開始了《農政全書》的撰寫。徐光啟在長期從事農業試驗和研究的基礎上，收集和匯總他多年的研究成果和經驗，耗時二十餘年，終於完成《農政全書》的編著。《農政全書》共60卷，50多萬字，分開荒、水利、荒政、農本、蠶桑、牧養等12個類目，引用歷代著作300多種。該書內容豐富，既有古代農書的精華，又有當代農業的先進經驗和作者獨到的見解，是我國古代農業科學最完備的一部總結性著作，是科學的重要文獻。
《農政全書》在當時內憂外患並重的時代，徐光啟從事科研的最終目的是為了富國強兵。在國難當頭之時，他希望將自己的學識運用在拯救國家危亡之上，實現自己學術救國的願望。後來努爾哈赤率兵南侵，侵佔東北的撫順、清河等地。神宗皇帝面對外事的戰亂不息，不得不勵精圖治。將徐光啟晉升為詹事府少詹事，兼河南監察御史，管理練兵事務。徐光啟承擔了訓練新兵、防禦都城的任務之後，便開始了他的正兵計劃。他將有關練兵的事宜上疏朝廷。徐光啟還對火器在實踐中的運用，對火器與城市防禦，火器與攻城，火器與步、騎兵種的配合等各個方面都有所探求。實際上，徐光啟可以稱得上是中國軍事技術史上提出火炮在戰爭中應用理論的第一人。
明末形勢圖在天文歷算方面，徐光啟決心重修曆法，並於公元1634年修成《崇禎曆書》。該書總結了我國古代曆法的優秀成果，並吸收了西曆的優點，為以後300多年的曆法工作打下了基礎。今天的農曆，就是在《崇禎曆書》的基礎上修訂而成的。而在實際的天文觀測中，他在我國天文歷史上第一次使用了天文望遠鏡來觀測天體，比伽利略使用天文望遠鏡只遲了20年左右。他所作的《恆星曆指》在當時更是世界上最完備的恆星圖。崇禎五年，徐光啟被授予東閣大學士，成為崇禎帝的宰相，一年之後他又當上了文淵閣學士。他是中國歷史上少見的擁有科學巨匠之稱的宰相。
公元1633年11月8日 ，的徐光啟因病逝世，享年72歲。他是我國明朝晚期最傑出的科學家，不僅在農學，還在天文歷算、數學、農業科學、機械製造和軍事學領域以及編譯介紹近代西方科學等方面都曾做出過卓越的貢獻。