徐光啓作爲中西文化交流的先驅之一，對中國近代科學的發展起到了巨大的促進作用。他不但和利瑪竇合譯《幾何原本》，還主持編寫了一部一百三十多卷的《崇禎曆書》，並著有《徐氏庖言》、《兵事或問》等軍事著作，他的科學成就是多方面的，不過，他一生用力最多、成就最大的卻是農業和水利方面的研究，其主要代表作就是著名的農學著述《農政全書》。
徐光啓認爲，農業是一切之根本，所以他充分利用一切空閒時間，在北京、天津和上海等地設置了試驗田，親自進行各種農業技術實驗。《農政全書》就是他在賦閒期間一點一點積累而成的。
萬曆三十五年（1607年），徐光啓回鄉爲父親守孝，然後在家鄉開闢了田地進行農業實驗。在此後的三年時間裡，他總結出許多農作物種植、耕作的經驗，寫了《甘薯疏》、《種棉花法》和《代園種竹圖說》等農業著作。萬曆四十一年（1613年），徐光啓辭去公職並來到了天津，在天津繼續進行農業實驗，一待就是五年。三年之後，徐光啓又來到了天津，在天津進行了更大規模的農業實驗，並撰寫了《宜墾令》和《農遺雜疏》等農業著作。這些專門從事農業實驗與撰寫農業著作的經歷，使他積累了豐富而又寶貴的資料，爲徐光啓日後編撰《農政全書》奠定了堅實的實踐和理論基礎。天啓二年（1622年），徐光啓告病返鄉，可是依然繼續進行農業實驗，並爲撰寫《農政全書》搜集、整理資料，以便將他畢生的心血流傳下來。到崇禎元年（1628年），《農政全書》已經基本寫成，不過由於徐光啓此時剛好官復原職，到任後即著手修訂曆書，所以無暇顧及《農政全書》的最後修訂工作。崇禎六年（1633年），徐光啓去世，直到徐光啓死後的第六年，《農政全書》才由其弟子陳子龍等人負責修訂、定名並出版。
《農政全書》有六十卷，十二目，共五十多萬字，全書以「農本」爲主導思想，既收錄了前人總結的農業技術和農政思想，又增加了作者從農業和水利方面的實踐中獲得的科研成果，內容覆蓋農本、田制、農事、水利、農器、樹藝、蠶桑、種植、畜牧、製造、荒政等，目的是提倡因地制宜、充分利用土地資源，以達到富國利民的目的，它完全適應中國這一泱泱農業大國的需要。
其中，荒政的篇幅占全書的首位，有十八卷之多，由此可見徐光啓是非常重視備荒救災的，其出發點雖然是爲了維護封建統治者的利益，但這些主張同時也給國民帶來了實實在在的好處。《農政全書》中收錄的《救荒本草》與《野菜譜》，無論是在荒年還是豐年都具有造福國民的作用，非常具有實用價值。
徐光啓大力主張用墾荒和開發水利的方法來發展北方的農業生產。中國自魏晉以來就經常以北方爲政治中心，所以朝廷每年都需要耗費巨資在漕運方面，以達到南糧北調的目的，給國家財政帶來了巨大的負擔。爲了解決這一問題，徐光啓提出了利用墾荒、水利、移民等方法發展北方農業的主張，以及能夠進一步提高南方作物產量的旱作技術，例如種麥避水溼、與蠶豆輪作等增產技術，另外還總結出了蝗蟲蟲災的發生規律和治蝗方法。
此外，徐光啓還對主要產於北方的棉花在東南地區的種植和推廣進行了許多研究，切實提出了「精揀核、早下種、深根短干、稀稞肥壅」這十四字的增產字訣。據統計，《農政全書》中記載的一百五十九種栽培植物都是國人千百年來衣食住行的來源，而且其形態、特徵、價值以及栽培方法大多信而有徵，因爲它們都是徐光啓稟著審慎的科學態度旁徵博引歷代的文獻，又進行實地調查才寫出來的。所以，人們在閱讀《農政全書》時，不僅能夠了解到有關古代農業的百科知識，還可以體會到一位古代科學家嚴謹而求實的態度。
《農政全書》基本上囊括了古代農業生產和人民生活的各個方面，而其中又貫穿了徐光啓富國強民的農政思想，這一思想使得《農政全書》不同於其他的大型農書，成爲與北魏賈思勰的《齊民要術》齊名的一大農學著述。