徐氏祖居苏州，以务农为业，后迁至上海。徐光启的祖父因经商而致富，及至父亲徐思诚家道中落，仍转务农。
明嘉靖四十一年(1562年)，徐光启出生于太卿坊(今上海市黄浦区乔家路)。少年时代的徐光启在龙华寺读书。明万历九年(1581年)，应金山卫试中秀才后，他在家乡教书，并娶本县处士吴小溪女儿为妻。万历十年(1582年)，第一次乡试不中。为了维持家计，徐光启和他父亲一样“弱冠补诸生高等，食讫学宫，以家贫，故教授里中子弟。”万历十二年(1584年)，祖母卒，徐光启的父母又过半百，加上水灾，徐光启家道每况俞下。万历十六年(1588年)，徐光启为了寻找出路，和同乡董其昌、张鼎、陈继儒一起到太平府(今安徽当涂)应乡试，徐光启却落第。
万历二十一年(1593年)，徐光启赴广东韶州任教，并结识了耶稣会士郭居静。万历二十四年(1596年)，转至广西浔州任教。万历二十五年(1597年)，徐光启因考官焦竑赏识而以顺天府解元中举。万历二十六年(1598年)，会试他未能考中进士，回到家乡教书。万历二十八年(1600年)，他赴南京拜见恩师焦竑，与耶稣会士利玛窦第一次晤面。万历二十九年(1601年)，徐光启没有参加会试。万历三十一年(1603年)，他在南京由耶稣会士罗如望(Jean de Rocha)受洗加入天主教，获教名保禄(Paul)。万历三十二年(1604年)，徐光启中进士，考选翰林院庶吉士。万历三十四年(1606年)，他开始与利玛窦合作翻译《几何原本》前6卷，次年春翻译完毕并刻印刊行。翻译完毕《几何原本》后，他又根据利玛窦口述翻译了《测量法义》一书。万历三十五年(1607年)，三年翰林馆期满告散，他被授予翰林院检讨。同年徐光启的父亲在北京去世，他回乡丁忧守制。万历三十六年(1608年)，邀请郭居静至上海传教，这成为天主教传入上海之始。守制期间，他整理定稿了《测量法义》，并将《测量法义》与《周髀算经》《九章算术》相互参照，整理编撰了《测量异同》，作《勾股义》一书，探讨商高定理，开辟双园、农庄别墅，进行农作物引种、耕作试验，作《甘薯疏》《芜菁疏》《吉贝疏》《种棉花法》和《代园种竹图说》。万历三十八年(1610年)，徐光启回到北京，官复原职。因钦天监推算日食不准，他与传教士合作研究天文仪器，撰写了《简平仪说》《平浑图说》《日晷图说》和《夜晷图说》。万历四十年(1612年)，他向耶稣会教士熊三拔(P. Sabbathino de Ursis)学习西方水利，合译《泰西水法》6卷。万历四十一年(1613年)，初冬，因与朝中一些大臣意见不合，徐光启告病去职前往天津。他在房山、涞水两县开渠种稻，进行各种农业实验，先后撰写了《宜垦令》《农书草稿》《北耕录》等书，为《农政全书》的编写打下了基础。万历四十四(1616年)，年礼部侍郎沈榷连上三张奏疏，请求查办外国传教士，是为南京教难。徐光启上《辩学章疏》为传教士辩护。同年徐光启回京复职，次年任詹事府左春坊左赞善。后病归天津，作《粪壅规则》。万历四十六年(1618年)，后金努尔哈赤发兵进犯关内，徐光启应召星夜入京。万历四十七年(1619年)，萨尔浒之战明军战败，他多次上疏请求练兵，后擢升少詹事兼河南道御史，在通州督练新军。但由于军饷、器械供应困难，练兵计划并不顺利。明天启元年(1621年)，三月徐光启上疏回天津养病，六月辽阳失陷，他又奉召返京，力请使用红夷大炮帮助守城，但因与兵部尚书意见不合，十二月再次辞归。天启三年(1624年)，徐光启擢升为礼部右侍郎兼侍读学士等职，当时朝中魏忠贤专权，他不肯就任，次年他便遭谗劾去职。徐光启回到上海后，将积累多年的农业资料“系统地进行增广、审订、批点、编排”，编撰而成后来的《农政全书》。他同毕方济(P.Franciscus Sambiasi)一起合译了《灵言蠡勺》。他还把自己关于军事方面的文章辑录成书，刻印刊行了《徐氏庖言》。天启四年(1625年)，徐光启退隐之后，将主要精力集中在增订、批改以前所辑《农书》上，经过勤奋钻研，日夜笔耕，终于在天启四年(1627年)完成了《农政全书》的初稿。
徐光启纪念邮票明崇祯元年(1628年)，徐光启奉召回京，官复原职。
崇祯二年(1629年)，他又擢升礼部左侍郎。因钦天监推算日食失准，崇祯皇帝同意由徐光启主持开局修历。同年，皇太极率领兵数万人进逼京畿，崇祯帝召集大臣平台议事，徐光启奏对战守之事。[8] 崇祯三年(1630年)，升任礼部尚书。
崇祯四年(1631年)，陆续进献历书多卷，即《崇祯历书》。
崇祯五年(1632年)，以礼部尚书兼东阁大学士，入参机务。
崇祯六年(1633年)，加太子太保、兼文渊阁大学土，同年11月8日病逝于任上，谥文定。
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