后金军队退去后，徐光启建议利用这段间隙，立即赶造火炮和加紧选练守城士兵，进一步巩固京师的防务。他指出，后金军之所以不攻京师，不攻涿州，就是因为畏惧火器的威力。这种当时最先进的新式武器，物料真，制作巧，药性猛，射程远，精度高。他筹划在北京设立一个小兵工厂，并建议在扬州、潞安开局铸炮。徐光启听到传教士陆若汉、公沙的西劳提议去澳门购炮和遴选铳师，极为赞赏，表示愿亲自前往。光有火器并没解决所有的问题，还必须有能熟练使用火器的军队。为此他提出一套组建和训练车营的办法。所谓车营，就是组成一支三五千人装备火器的队伍。这支队伍不但能守卫城垣，而且能出城作战。以此为基础，把习铳的军队扩大到二三万人，一半在城中训练，一半在城外巡守。制定训练计划要严格，办法要切实，“宁为过求，不为冒险；宁为摭实，无敢凿空”。1631年(崇祯四年)11月，徐光启又上书皇帝，提出一个他精心设计的精兵方案。这个方案的要点是，以六万人编为十五营，每营四千人，配备双轮车一百二十辆，炮车一百二十辆，粮车六十辆，另配西洋大炮十六门，中炮八十门，鹰铳一百门，鸟铳一千二百门。他请求以登莱巡抚孙元化的部队为基干，先组成一营，然后逐步扩展。练成四五营，则不忧关内；练成十营，则不忧关；十五营俱就，则不忧进取。可是两个月后，后金兵进攻关外大凌河，孙元化派部将孔有德增援，孔有德在吴桥发动兵变，西洋火器悉数落入孔有德之手，不久孔有德又带着这些武器投降了后金，致使徐光启的计划完全破灭。自此以后徐光启心灰意冷，再也不言兵事。
徐光启的军事思想中包括了许多有价值的见解。如他重视民众的作用，主张动员民众参加军事斗争；他注重提高军队的战斗力，主张严加选练；他认识到武器是克敌制胜的重要因素，倡议引进西洋火器；他反对平分兵力，主张集中优势兵力歼敌一路，等等。但他的军事实践却是失败的，具体的表现就是练兵计划的屡次落空。其根本的原因是晚明政治腐败，经济凋敝。一方面是国力衰弱无力支付巨大的练兵制器费用，一方面是权奸当道，百般刁难，处处掣肘，单靠徐光启一人的苦心经营是无法挽回明王朝的颓势的。
精研天文，督修新历
在守城制器的前后，徐光启还领导了修改历法的工作。天文历算在我国有悠久的历史和辉煌的成就。十三四世纪欧洲的儒略历出现严重失误的时候，我国元代科学家郭守敬便制定了《授时历》，把中国历法提高到更加准确的程度。明代的《大统历》就是直接承袭《授时历》的。但是由于长期没有修订，到明晚期，《大统历》也多次发生显着的失误。
徐光启很早便潜心学习和研究天文学。天文学曾是徐光启学习西学的重要内容之一，入翰林院后，仍花了很大气力从事天文学的研究，他先后写了《山海舆地图经解》、《题万国二寰图序》、《平浑图说》、《日晷图说》、《夜晷图说》、《简平仪说》等着作。这说明徐光启不但对西方天文仪器的构造、原理、用途有了充分的知识，甚至对西方测天的方法和理论，也进行了深入的研究。徐光启在当时的天文学界已有较高的声誉，所以礼部在1612年(万历四十年)1月奏请修改历法时，他便以“精心历理”与邢云路、范守己、李之藻等同时受到举荐。因万历帝久居深宫，疏于政务，此议被搁置下来。然而，徐光启并未放弃修改历法的努力，继续进行各方面的准备，如物色培养天文学人才，翻译西方天文学着作等等。
机会终于来了。1629年6月21日(崇祯二年五月朔)日食，钦天监预推失误，而徐光启用西法推测食分时刻却被验证。崇祯严辞切责钦天监官员。在这种情况下，礼部奏请开设历局，修改明初开始推行的《大统历》。9月1日，崇祯皇帝正式下令修历，并命徐光启督领修历事务，李之藻协理修历。历局设在宣武门内原首善书院。9月13日，徐光启上《条议历法修正岁差疏》，提出修改历法的步骤和方法，急需的仪器及人员的调配等。这份文献实际上成为修历工作的纲领。后来他提出的“欲求超性，必先会通；会通之前，必先翻译”，则成为贯穿整个修历过程的指导思想。
按照徐光启的计划，修改历法应当以西法为基础。其中固然有西法运算周密，在推算上确实优于旧法的科学本身的原因，也有旧法创制已久，法理难明，而西法经传教士广为宣传造就了一批通晓天文历算的人才这种客观上的原因。徐光启把翻译西方天文学着作当作修历的第一个必须的步骤。那时传到中国的西方天文学着作虽然卷帙浩繁，如1620年传教士金尼阁携来的七千部书籍中，相当一部分是天文学着作。盲目翻译需耗费大量的人力物力，且旷日持久，显然不行。徐光启又有针对性的提出，要有选择地组织翻译，要区别轻重缓急，首先选译那些最基本的东西，循序渐进。在内容上要包括欧洲天文学的理论、计算和测算方法、测量仪器、数学基础知识以及天文表、辅助用表等的介绍、编算等。徐光启本人也积极投入了翻译工作，他参预编译的着作就有《测天约说》、《大测》、《元史揆日订讹》、《通率立成表》、《散表》、《历指》、《测量全义》、《北例规解》、《日躔表》等。
作为修历的组织者和领导者，徐光启的眼光并没有停留在译成一批西方天文学着作上。他的心愿是编成一部融汇中西历法优点，达到当时最高科学水准的历书。为了实现这个理想，徐光启对历书的结构作了精心的擘划。他提出整部历书要分为节次六日和基本五日。节次六日是《日躔历》、《恒星历》、《月离历》、《日月交食历》、《五纬星历》、《五星交会历》。这六种书由易到难，前后呼应，研讨天体运动的规律，介绍测算天体运动的方法。基本五目包括“法原”、“法数”、“法算”、“法器”和“会通”，是整部历书的五大纲目。法原是天文学的基本理论，包括球面天文学原理。前述节次六日即属于法原的范围。法数是天文表。法算是三角学和几何学等天文学计算中必须的数学知识。法器是天文仪器。会通是旧法和西法的度量单位换算表。这基本五目包容了有关天文历算的全部重要知识。以后《崇祯历书》的编写工作，几乎完全是按这个计划进行的。徐光启是历局的最高领导人，直接对皇帝负责。他主持历局的四年间，从制定计划、用人、制造仪器设备、观测、译撰直到钱粮细事，一应事务，无不操持，仅就各种事宜向皇帝上疏便有三十四次之多。他不辞辛劳，亲自参加撰写和编译工作。《崇祯历书》中的《历书总目》一卷、《治历缘起》八卷、《历学小辩》一卷，都是他独力撰着的。此外，他还要对全部书稿进行审阅和修改，作文字上的润饰。每卷要修改七八次才能定稿。1633年辞世前夕，他还上疏介绍剩余的六十卷书稿的情况。其中三十卷由他审改定稿，另三十卷草稿中也有十之一二经他修改，十之三四经他审阅。可以说，没有徐光启的全力支撑，历局工作顺利进展将是不可想象的。
徐光启深知实测天象对天文学研究的重要意义。为了使新历更趋科学，修历当中徐光启多次组织历局人员观测日月食、五星运动和节气时刻，取得了大量科学数据。每逢日月食，他常常亲往测候，尽可能掌握交食时刻和食分的第一手资料。此前，我国观测日月食多用肉眼，精确度很低。尤其在观测日食时，由于阳光强烈刺目，初亏与复圆的时刻很难定准，食分的大小也不易测准，食分小的日食更难发现。古代也曾有用水盆映象的方法测量日食，但往往受水面摇荡的干扰。徐光启把刚刚传入中国的望远镜技术用于天文观测，取得了很好的效果。在他的治历疏稿中，多次提到用望远镜观测日月食的情况。其方法是在密室中斜着开一道缝隙，将窥筒眼镜置于此处，日食的情况透过望远镜投射到画好日体分数的图板上，亏复和食分一目了然。用这种方法大大提高了观测数据的精度。制造望远镜并用于天文观测，徐光启是我国历史上的第一人。徐光启自己备有一部《观景簿》，是他持之以恒观测天象的记录。其中有多年诸曜会合、凌犯行度和节气时刻的观测结果。1629年(崇祯二年)，他还主持了一次天文大地测量，测定了山东、河南、湖广、四川、北京、南京等地的经纬度。测量中采用了西方先进的测量方法和技术。后来，根据实测的结果，他又主持绘制了一份当时最完备最精确的星表和星图。这份星图现即称为“徐光启星图”，它是我国目前所见最早包括了南极天区的大型全天星图。
对天文学研究来说，仪器设备的重要性比起其他学科更加明显。仪器设备先进与否，直接决定着天文学发展的水平和历法的准确程度。徐光启在改历之初，就提出了制造仪器的计划。他为此事专门上疏皇帝，提出“急用仪象十事”，建议制作地球仪、七政列宿大仪(即天球仪)、平浑悬仪、交食仪、60度纪限大仪、90度象限大仪、日晷、星晷、自鸣钟以及望远镜等十种仪器共二十七件。像这样大量引进制造西法仪器，是前所未有的。在原有的观测手段相当落后的情况下，引进仿制西法仪器是迅速提高观测水平的有效办法。当然，引进的目的是“会通超胜”，因此在实际制作中根据中国的情况作了适当的改造与变动，例如仪器上二十四节气的刻画，宫、度等对应的中文名称和刻度，仪器的造型风格的和花饰等等，都体现了中国的特点。徐光启等明代科学家在这方面的探索，为清初用西法浇铸大型铜质天文仪器积累了宝贵的经验。特别值得指出的是，伽利略望远镜问世不久，1618年由传教士邓玉函介绍到中国，徐光启便敏锐地感觉到它对天文观测所具有的重要意义，刚着手修历就装配了三架望远镜，使得观测精度大为提高。
精心培育造就科学人才，是徐光启主持修历期间的又一贡献。他以一个科学家的长远眼光和博大胸怀，把历局办成了一个延揽八方英才的科学家摇篮，表现出非凡的领导才能。在用人方面，他采用广咨博取、不拘一格的方针，果断宣布：“不拘官吏生儒，草泽布衣，但有通晓历法者，具文前来”，“果有专门名家亦宜兼收”。他把能明度数本原、精通测验推步、善于制造大小仪器的人选为“知历人”，参与修历，还招考能书善算的年轻人为“天文生”，进行重点培养。历局中不但有李之藻这样的对天文历法造诣甚深的中国学者，也有知晓西法的外国传教士龙华民、邓玉函、罗雅谷、汤若望等。为使修历大业后继有人，徐光启在培养扶持后生晚辈上倾注了极大的热情。他自知病重，便于1633年(崇祯六年)10月31日上疏，大力举荐原山东布政司右参政李天经，说他“博雅沈潜，兼通理数，历局用之尤为得力”，请求派他接替自己主持历局事务。李天经果然不负所望，在徐光启去世后秉承遗愿，主持完成了《崇祯历书》。徐光启很重视培养官生。每一部书稿编写完，就把它作为教材向官生传授。这样做的结果，待到新历编成，一大批掌握新历法的天文学专门人才也就培养出来了。对历局工作人员的劳动成果，徐光启是十分尊重的。他在临终前还特意上疏，保举改历有功人员和学业优良的官生。历局全体人员团结一致，通力合作，终于使《崇祯历书》这部煌煌巨着得以顺利完成。
在巩固内部，充分发挥修历人聪明才智的同时，徐光启还同反对改历的保守势力进行了不懈的斗争。修改历法在封建社会是关系王朝统治的大事，一些拘守旧法冥顽不化的人，处心积虑地设置障碍，阻挠修历。1595年(万历二十三年)和1612(万历四十年)改历的呼声两度形成高潮，但终因这些人以“祖宗之制不可变”为辞极力阻止而夭折。新的历局设立以后，旧法与新法的论争也从未中断。徐光启从中国天文学发展的历史实际出发，反复阐说我国的历法正是由于不断改革而逐步完善的，治历要依据天时的变化，不能拘泥古法而违背天象。他为了回答来自守旧人物如冷守中、魏文魁之流的攻击，专门写了《学历小辩》一书。他在书中揭露了冷守中历书玩弄的神秘数学游戏，又指出魏文魁的历法书不但数据陈旧，理论和方法上也有许多矛盾和漏洞。徐光启还采取了用事实说话的办法，凡遇有日食、月食，他都预先公布推算结论，然后在北京观象台和国内其他地方观象测验，用测验的结果证实新法的正确和优越，借以回击守旧派，说服那些对新法怀有疑虑和成见的人。
