一天，徐光启从翰林院回到家里，闷闷不乐。他拉开抽屉，拿出纸张铺在桌上给上海的儿子写信，让徐骥设法在上海城外找一处有田有屋，有池塘的地方买下来，并告诉家人他要回上海了。
他把一个仆人喊了进来。现在这家里就剩下徐光启和一个仆人了。原来，徐思诚死后，徐光启守孝三年，家里人就都跟着回上海去了，以后再也没到北京来。徐光启的生活就由一个男仆来照顾了。
“老爷，有什么事要吩咐吗？”仆人问道。
“你把这封信发出去，回来后，抓紧时间把东西整理整理，我们要回上海去了。”
仆人感觉诧异，随口问道：“老爷，为什么要回上海。”
“养病。”
仆人愈加糊涂了，徐光启的身体不是很好吗，没见他生病，为什么要回上海养病呢？看看徐光启满脸不高兴的样子，仆人没敢继续问。也许是心病呢？
他猜得不错，徐光启近来心情确实很糟。
事情是这样，明朝万历四十一年（1613）春天，他作为会试考官，与魏广微共同负责《春状》经的阅卷工作。看到应考举人吕维祺、张宗衡、鹿善继的卷时，魏广微认为都不可取，而徐光启持相反意见，结果这三人还都考中了。徐光启和魏广微因此不和，魏广微以同乡同姓的关系巴结皇帝最宠信的宦官魏忠贤，被提升为礼部尚书兼东阁大学士。他一有机会，就攻击徐光启，弄得徐光启心绪不佳，因而托辞身体不舒适，请了病假。
听说徐光启要启程回上海，他的一个朋友前来送行。
徐光启对他的朋友说：“我回上海还缺少现成的居处，我准备搞农业试验，可城里的老屋旁边又盖起了房子，不适于种地，城外的坟地及小试验园又太小了，我要寻得一处有田、有屋、有池的地方居住才好。”
朋友说：“天津有几处荒田，面积都相当大，既有水源，地价又贱。你如果能在那里搞农业试验不是也很好吗？”
徐光启听后高兴地说：“太好了。”很长时间以来，徐光启都想在北方试种水稻和把南方的一些农作物在北方进行试种和推广。所以，听了朋友的话，当即决定不回上海了，到天津开垦荒地，搞农业试验。
徐光启带着仆人，由朋友陪着来到天津。
那时候，天津是北京的门户，是一个军事重地。荒地就位于天津的东南，海河的两岸。附近不远有一个小镇叫葛沽，荒地的面积真大呀！荒地里长满了芦苇和杂草，牛羊在杂草中成群地放牧。再往东，就是海边的沙地了。
徐光启仔细地察看了附近的田地和干涸的水沟，好像这里种过水稻。
一位老农民说：“有人在这里试着种过水稻，但由于海河不时地泛滥，水涨起来，一片汪洋，水退之后，一片盐碱，秋天连种子都没收回来，所以这田就荒芜了。”
徐光启带了测量用具，他们三个人就进行了简单的测量，估计这块荒地有53公顷。因为这一带荒地的价格是非常低的，于是，徐光启就把它全部买了下来。
徐光启对他的朋友说：“这里临近海河，可以修一道大堤，防止河水的漫灌。如遇久旱不雨时，再准备些水车或用西洋水法制造汲水工具，抽取河水防旱。那边的田地离河较远，可以开渠引水，这块荒地完全可以种植水稻。”
朋友说：“你说的对。但现在还不能种植水稻，如果没有收成，以后就难以维持了，所以先种上小麦吧。”
徐光启说：“就按你的想法做吧，今年这几十公顷地全部种上小麦。”
徐光启从附近招募一些贫民来开垦荒地，并且盖了几间草屋，帮助招来的农民解决口粮、房屋、农具、种子等问题。到秋天收获的时候，农民把收成的十分之四作为地租交给徐光启。
按照徐光启的阶级地位，他是一个地主。但是他和一般地主不一样，一般地主是不管生产，只管收租的。徐光启的主要目的却不是收租，而是开垦荒地和进行农业试验，研究改进生产。
我国两千多年的封建社会，到17世纪已经进入资本主义萌芽的阶段。在手工业方面，出现了工场主雇佣较多工人的资本主义生产关系。徐光启这种由地主参加经营管理、研究改进生产技术的办法，也带有资本主义萌芽的色彩。
徐光启亲自参加生产劳动。在住宅附近开辟园地，种植一些农作物，有蔬菜、有瓜果。他还托人从上海带来鸡冠花、凤仙花、蜡梅花和多种中药的种子，栽在房前屋后。还按照西洋的方法种植了一些葡萄，并且得到了很好的收成。
徐光启研究的重点是水稻。水稻是高产作物，如果北方大量种稻，可以减少南粮北运。水稻适宜于高温多雨的环境，过去有人在北方试种过水稻，收成不多，都失败了。因而一般人都认为北方不能种稻。徐光启一贯反对“风土说”，他认为海河下游有水，又有高温期，完全具备种稻条件，所以积极试种水稻。
徐光启一方面雇工开渠引水，开辟水田，另一方面对天津的土壤、施肥和耕种方法详细加以调查研究和试验，大约做了两年多的准备工作之后，开始着手播种水稻。
由于北方人缺乏种稻经验，所以徐光启特意给家写信，邀请一位种稻能手叫陈大官的人来天津指导种稻。
第一年试种水稻，因为肥料用得太多，水稻长势很好，就是不结穗，几乎颗粒无收。徐光启总结了经验、教训，第二年仍然坚持种水稻，他采用早熟品种，改进施肥方法，虽然稻棵很小，但是却有了收获。现在看来是低产，可在当时已算不错了。它说明试种水稻取得了初步成功。
这时期，徐光启还进行了养蚕的试验。开始养蚕是在春天，由于春天气候比较干燥，所以绝收了。第二年养的蚕，由于吃了湿叶，蚕都死了。于是徐光启就总结了一套养蚕的经验：要养好蚕，主要在于桑叶要干而且勤添。北方没有梅雨，要得到干桑叶不难，所以说，北方适宜于养蚕。
徐光启还写信给儿子徐骥：“养好桑葚，晒干寄来，最要紧。”在北方推广种桑养蚕业，把南方养蚕之利扩展到北方。
徐光启还试验种植甘薯。他早就预言北方能种甘薯，可是，在试验过程中也受到挫折。起初，他在冬天用稻草密盖薯种，结果把薯种冻坏了，使他愁闷多天。他在上海曾把薯种放在地窖里，因地窖潮湿，薯种很快腐烂，所以，在天津没有把薯种藏进地窖。后来他反复思考，北方地窖比南方干燥，又能避寒，何不把薯种藏进去试试？一试果然行。藏种的问题解决了，他的甘薯就在天津推广起来，向他要求买种、剪藤的人很多。万历四十六年（1618）他为此把有关甘薯的文章修改整理，刻印成一本书，名叫《甘薯蔬》，赠送亲友，使种甘薯在北方渐渐推广开来。
徐光启在天津垦荒，进行农业试验有成功的经验，也有失败的教训。这些情况，徐光启作了不少的记录，并整理成《宜垦令》、《北耕录》、《粪壅规则》等书，这些都是重要的农业科学著作。他还计划编写一本《种艺书》，以促进我国农业的发展。
1617年，明朝政府派徐光启兼任左春坊左赞善。左春坊是詹事府（侍候皇太子的衙门）的一个部门，左赞善是官名，主要工作是侍候太子读书。徐光启刚一销假到职，明神宗又派他一个临时性的差使：代表皇室去册封一个皇族人物为庆王。他长途跋涉到了宁夏（现在宁夏回族自治区银川市），参加了册封典礼。在别人看来徐光启受到皇帝信任，可以指日高升了。可是徐光启对官府工作不感兴趣。从宁夏回来后不久，他又继续请病假，去天津搞他的农业试验。
徐光启在天津搞农业试验近六年，他依靠个人力量购置土地，进行一些力所能及的科学试验，虽然在当时的历史条件下，还无法实现他强国富民的理想，但他所取得的科学成就却是不容忽视的。
