明嘉靖四十一年（1562年），徐光启生于南直隶松江府，上海县法华汇（今上海市，为了纪念徐光启而改名为徐家汇)的一个小商人的家里。徐光启的家，从其曾祖父时起，在六七十年间，曾有三次较大的起伏。而徐光启则刚好是诞生在家道第三次中落后的谷底，家境不算好。但这个家庭对农业和手工业、商业的生产活动是熟悉的。
徐光启的父亲弃商归农，为人“博识强记，于阴阳、医术、星相、占候、二氏之书，多所通综，每为人陈说讲解，亦娓娓终日”。而徐光启的母亲“性勤事，早暮纺绩，寒暑不辍”。如此的家庭和父母，对徐光启后来钻研科学技术、重农兵、尚实践、毕生唯勤唯俭、安贫若素等等都有良好的影响。
当时的法华汇还不是城市而是乡村，四周都是种满庄稼的农田。徐光启小时候进学堂读书，就很留心观察周围的农作物，对农业生产有着浓厚的兴趣。
年少时的徐光启，聪敏好学，活泼矫健，当时人们都说他“章句、帖括、声律、书法均臻佳妙”，他还喜欢在下雪天登城，在龙华寺读书的时候特别喜欢登塔顶。万历九年（1581年）的时候，他喜中秀才，但年纪轻轻的他却心怀远大抱负，他把“以天下为己任”作为自己的奋斗目标。
20岁考中秀才以后，他在家乡和广东、广西教书，白天给学生上课，到了晚上他还阅读大量的古代农书，钻研农业生产技术。由于农业生产同天文历法、水利工程的关系非常密切，而天文历法、水利工程又离不开数学，他又进一步博览古代的天文历法、水利和数学著作。
万历三十二年（1604年）徐光启考中进士，开始步入仕途。徐光启在未中进士之前，曾长期辗转苦读，在阅读了大量的著作之后，他能够将程朱理学烂熟于心，主张禅静顿悟，反对经世致用，认为那样实为误国害民。徐光启是明学术界、思想界兴起的实学思潮中的一位有力的鼓吹者、推动者。
利玛窦在同徐光启见面的第二年，也来到了北京。他向明神宗贡献礼品，得到明神宗的批准，在宣武门外置了一处住宅，长期留居下来，进行传教活动。徐光启在公余之暇，常常去拜访利玛窦，彼此慢慢熟悉了，开始建立起较深的友谊。
1606年，徐光启再次请求利玛窦传授西方的科学知识，利玛窦爽快地答应了。他用公元前三世纪左右希腊数学家欧几里得的著作《原本》做教材，为徐光启讲授西方的数学理论。利玛窦每两天讲授一次，徐光启总是准时到达。
经过一段时间的学习，徐光启完全弄懂了欧几里得这部著作的内容，深深地为它的基本理论和逻辑推理所折服，他认为这些正是我国古代数学的不足之处。于是，徐光启建议利玛窦同他合作，一起把它译成中文。开始，利玛窦对这个建议颇感犹豫，因为欧几里得这部著作是用拉丁文写的，拉丁文和中文语法不同，词汇也很不一样，书里的许多数学专业名词在中文里都没有相应的现成词汇。要译得准确、流畅而又通俗易懂，是很不容易的。早先曾有一个姓蒋的举人同利玛窦合作试译过，就因为这个缘故而不得不半途而废。但徐光启认为只要肯下工夫，总是可以译成的。在他的一再劝说下，利玛窦也就同意了。
从1606年的冬天开始，他们开始了紧张的翻译工作。先由利玛窦用中文逐字逐句地口头翻译，再由徐光启草录下来。译完一段，徐光启再字斟句酌地作一番推敲修改，然后由利玛窦对照原著进行核对。遇到有译得不妥当的地方，利玛窦就把原著再仔细地讲述一遍，让徐光启重新修改，如此反复。
徐光启对翻译非常认真，常常是到了深夜，利玛窦休息了，他还独自坐在灯下加工、修改译稿。有时为了确定一个译名，他不断地琢磨、推敲，不知不觉就忙到天亮。译文里的“平行线”“三角形”“对角”“直角”“锐角”“钝角”“相似”等等中文的名词术语，都是经过他呕心沥血的反复推敲而确定下来的。
1607年的春天，徐光启和利玛窦译出了这部著作的前六卷。徐光启想一鼓作气，接着往下译，争取在年内译完后九卷，但利玛窦却主张先将前六卷刻印出版，听听反应再说。付印之前，徐光启又独自一人将译稿加工、润色了三遍，尽可能把译文改得准确。然后他又同利玛窦一起，共同敲定书名的翻译问题。
这部著作的拉丁文原名叫《欧几里得原本》，如果直译成中文，不大像是一部数学著作。如果按照它的内容，译成《形学原本》，又显得太陈旧了。利玛窦说，中文里的“形学”，英文叫作“Geo”，它的原意是希腊的土地测量的意思，能不能在中文的词汇里找个同它发音相似、意思也相近的词。徐光启查考了十几个词组，都不理想。后来他想起了“几何”一词，觉得它与“Geo”音近意切，建议把书名译成《几何原本》，利玛窦感到很满意。1607年，《几何原本》前六卷正式出版，马上引起巨大的反响，成了明末从事数学工作的人的一部必读书，对发展我国的近代数学起了很大的作用。后来，徐光启虽然没有能够再和利玛窦一起译出《几何原本》的后九卷，但他又陆续写了许多其他的科学著作。
许多学者认为《几何原本》所代表的逻辑推理方法，再加上科学实验，是世界近代科学产生和发展的重要前提。换言之，《几何原本》的近代意义不单单是数学方面的，更主要的是思想方法方面的。
徐光启就正确地指出：“此书为益，能令学理者祛其浮气，练其精心，学事者资其定法，发其巧思，故举世无一人不当学。能精此书者，无一事不可精，好学此书者，无一事不可学。”直到20世纪初，中国废科举、兴学校，以《几何原本》为主要内容的初等几何学方才成为中等学校必修科目，实现了300年前徐光启“无一人不当学”的预言。
万历三十八年（1610年）徐光启守制期满，回京复职，此后除几次临时性差事之外，一直担任较为闲散的翰林院检讨。但是，他和当时的其他官员不同，徐光启用较多的时间进行天文、算法、农学、水利等科学技术研究，从事了不少这方面的翻译和写作。在此期间，他还与利玛窦合作再次校订了《几何原本》并出版了第二版。同时他还为李之藻与利玛窦合译的《同文算指》（此书介绍了西方的笔算数学）、熊三拔编著的介绍天文仪器的《简平仪说》等书写了序言。
这些序言表达了徐光启对传人的西方科技知识的看法。向利玛窦学习科技知识的同时，徐光启对他们的传教活动也进行了协助，帮他们刊刻宗教书籍，对利玛窦的活动也有所庇护。徐光启的这许多行为，多被朝臣误解，加上与其他官员的一些意见不合，因此他辞去工作，在天津购置土地，种植水稻、花卉、药材等。万历四十一年至四十六年（16l3—1618）间，他在天津从事农事试验，其余时间则多是往来于京津之间。这期间，徐光启写成《粪壅规则》（施肥方法），并写成他后来的农学巨著《农政全书》的编写提纲。
在“闲住”的这段期间内，他进行了《农政全书》的编写。并且，他将主要精力用于修改历法。自从与利玛窦接触之后，徐光启就开始留心天文历法。万历四十年九月，朝廷决心修改历法，并且命令徐光启来主持。徐光启从编译西方天文历法书籍入手，同时制造仪器，精心观测，自崇祯四年（1631年）起，分五次进呈所编译的图书著作。这就是著名的《崇祯历书》，全书共46种，137卷。
《崇祯历书》采用的是第谷体系。这个体系认为地球仍是太阳系的中心，日、月和诸恒星均做绕地运动。而五星则做绕日运动。这比传教士刚刚到达中国时由利玛窦所介绍的托勒密体系稍有进步，但对当时西方已经出现的更为科学的哥白尼体系，利玛窦则未予介绍。《崇祯历书》仍然用本轮、均轮等一套相互关联的圆运动来描述、计算日、月、五星的疾、迟、顺、逆、留、合等现象。
对当时西方已有的更为先进的行星三大定律，利玛窦也未予介绍。尽管如此，按西法推算的日月食精确程度已较中国传统的《大统历》精确很多了。此外《崇祯历书》还引入了大地为球形的思想、大地经纬度的计算及球面三角法，区别了太阳近（远）地点和冬（夏）至点的不同，采用了蒙气差修正数值。
由于徐光启出身农家，自幼即对农事极为关心。他的家乡地处东南沿海，水灾和风灾频繁，这使他很早就对救灾救荒感兴趣，并且讲究排灌水利建设。步入仕途之后，又利用在家守制、赋闲等各种时间，在北京、天津和上海等地设置试验田，亲自进行各种农业技术实验。
徐光启一生关于农学方面的著作甚多，计有《农政全书》《甘薯疏》（1608）、《农遗杂疏》《农书草稿》（又名《北耕录》）、《泰西水法》等等。徐光启对农书的著述与他对天文历法的著述相比，从卷帙来看，数量虽不那样多，但花费的心血远远超过天文历法。其中，《农政全书》又堪称代表。《农政全书》主要包括农政思想和农业技术两大方面，而农政思想则约占全书一半以上的篇幅。
与同时代的士大夫相比，徐光启走了一条不同的路。他扎扎实实地致力引进先进的科技——这在当时属于不入流的“术数”，与他所任的宰相身份是不相宜的。他生前主持编译的《崇祯历法》，奠定了近三百年的历法基础。从徐光启的“第一”，到近代史上轰轰烈烈的“洋务运动”，经历了漫长的两百多年。中国的近代化，相应耽误了两百多年。从这一点讲，徐光启的被漠视，就不仅仅是他个人的悲剧，而是民族的悲剧了。
