明末天主教徒。天文學傢、農業科學傢、中西文化交流的先驅之一。字子先，號元扈，上海人。明萬曆二十四年(1596)在廣東韶州結識西方傳教士，初步聞知天主教教義及西方科學知識；後又讀到利瑪竇的《山海輿地圖》。次年中舉。二十八年春赴北京應試，途經南京，往訪利瑪竇，對西方科學知識發生興趣。三十一年在南京聆聽瞭葡萄牙耶穌會士羅如望的宣道，閱讀瞭利瑪竇的《天學實義》。他把“天學”理解為由形上之道和形下之器兩部分組成。“道之精微，拯人之形；事理粗跡，拯人之形”（《泰西水法法序》）。他認為佛教空無之說“東來千八百年，而世道人心未能改易”，若能將“事天愛人之說，格物窮理之論，治國平天下之術，下及歷算、醫藥、農田、水利等興利除害之事，一一成書”，加以傳佈，使人人為善，“可以補益王化，左右儒術，救正佛法”，以期達到“久安長治”的政治目標（《辯學章疏》）。因此，他接受瞭“天學”，受洗入教，取教名保祿。
萬歷三十二年中進士，考選為翰林院庶吉士。從政之餘隨利瑪竇問學，並與之合譯《幾何原本》前6卷。三十五年丁憂，回籍守制。次年邀意大利耶穌會士郭居靜到上海傳教，在傢中設立教堂，並在其親友、佃戶中發展教徒，是為天主教傳入上海之始。守制期間，將《測量法義》參以《周髀算經》、《九章算術》，中西會通，加以整理，削成定稿，並撰成《測量異同》、《勾股義》。三年後回京任翰林院檢討。適值欽天監推算日食不確，朝議修改歷法，遂和傳教士合作研究天文儀器，撰《簡平儀說》、《平渾圖說》、《日晷圖說》、《夜晷圖說》。主張翻譯學習西方天文學說，“令彼三千年增修漸進之業，我歲月間拱受其成”（《簡平儀說序》）。因皇帝不予重視，其事遂寢。四十年，從意大利耶穌會士熊三撥學習西方水利，力勸其對“修身事天”與“格物窮理”應“並說之，並傳之”；聘請高手匠人，在南堂制造各種治水工具，加以推廣，編成《泰西水法》6卷。次年以病歸，寓天津屯田開荒，寫成《宜墾令》、《北耕錄》等書。四十四年奉旨回京復職。前此，南京禮部侍郎沈疏請查辦外國傳教士，他曾上《辯學章疏》，為傳教士辯護。次年2月任詹事府左贊善。四十六年，努爾哈赤發兵，遼東軍事形勢緊急。他提出一系列軍事主張，但均未被采納。
徐光啟與利瑪竇談道圖
天啟二年至七年(1622～1627)，在籍傢居。根據畢方濟口授，譯述經院哲學傢改編的亞裡士多德的《靈魂論》(漢譯名為《靈言蠡勺》)，並用主要精力輯錄《農政全書》。天啟四年曾敕授禮部右侍郎，未曾到任，次年又被魏忠賢黨羽參以在軍政上“代庖越俎”等罪名被免職。
崇禎元年(1628)復禮部侍郎職。次年，欽天監推算日食再次失準。禮部奏請開局修歷，經皇帝準奏由徐光啟主持。他主張參用西法，提出“欲求超勝，必須會通；會通之前，必須翻譯”的方針，推薦李之藻協理，先後錄用傳教士尤華民、鄧玉函、湯若望、羅雅谷從事翻譯。當年，皇太極督率數萬騎攻破大關口、圍薊州、陷寧化、撫寧，從三面進逼京畿。崇禎帝於平臺兩次召集大臣，垂問方略。徐光啟提出區別對待俘虜以瓦解敵方軍心，建立配備西洋銃、大烏銃等火器的車營，以戰為守，積極防禦的戰術。在徐光啟主持下，由傳教士陸若漢和統領公沙的西勞率領下的葡萄牙士兵帶領大銃到達涿州，協助防守。三年升禮部尚書。次年先後兩次進呈歷書共44卷。五年又呈30卷。同年以禮部尚書兼東閣大學士，參預機務。次年上《歷法修正告成書器繕治有待請以李天經任歷局疏》，稱新成諸書60卷，其中30卷已審核定稿，尚有30卷正在審閱之中。在他主持下，《崇禎歷書》46種，134卷已基本完稿（後經李天經定稿，有所增刪，計45種，137卷）。
一生著譯甚豐，近年整理出版的有：《徐光啟集》、《徐光啟著譯集》、《農政全書》等。