万历三十二年中进士，考选为翰林院庶吉士。从政之余随利玛窦问学，并于之合译《几何原本》前6卷。三十五年丁忧，回籍守制。次年邀意大利耶稣会士郭居静道上海传教，在家中设立教堂，并在其亲友、佃户中发展教徒，是为天主教传入上海之始。守制期间，将《测量法仪》参以《周髀算经》、《九章算术》，中西会通，加以整理，并撰成《测量异同》，《勾股义》。三年后回京任翰林院检讨。适值钦天监推算日食不准，遂和传教士合作研究天文仪器。主张翻译学习西方天文学说。因皇帝不予重视，其事遂寝。四十年，从意大利耶稣会士熊三拔学习西方水利。
崇祯元年（1628）复任礼部侍郎。次年，钦天监推算日食再次失准。经过皇帝批准由徐光启主持重修历法。当年，皇太极率领数万人攻破大关口、从三面进逼京畿。崇祯帝两次召集大臣，垂问方略，徐光启提出区别对待俘虏以瓦解敌人军心，建立配备西洋炮等火器的车营，以战为守，积极防御的战术。在徐光启主持下，由传教士率领的葡萄牙士兵带领大铳到达涿州，协助防守。三年升礼部尚书， 徐光启是明末中西文化交流中重要人物。他也是著名的科学家，他著的《农政全书》是我国科学技术划时代的著作。