事實上，徐光啟也正在不斷向著自己立下的誌向奮鬥。他在村學時學習勤奮，成績優異，在學業上已顯露才華。經過十多年的刻苦學習，徐光啟於萬曆九年（1581年）考中了金山衛的秀才，向他的理想踏出了第一步。要知道，明代的秀才就是縣學的生員，區別於普通百姓，有一定的社會地位，不但可以享受免糧免役的待遇，還可以得到官府的津貼，是走入仕途的預備階段。春風得意的徐光啟又迎來了人生的另一件喜事——這一年他與本縣吳氏女成親了。娶得賢惠的妻子，徐光啟更加誌滿意得。
中國有句老話：“自古雄才多磨難，從來紈絝少偉男。”這恰是對徐光啟人生的最好注釋。順利考上秀才，取得參加科舉考試的資格的徐光啟沒有想到，此後的考試道路會困難重重。
從萬曆十年（1582年）到萬曆二十二年（1594年），徐光啟參加了五次鄉試，次次都空手而歸。屢次鄉試落第，不是徐光啟學問不如別人，而是因為明代後期科舉製度已然十分腐敗，賄賂橫行，徐光啟無錢無勢，自然走不得後門。不少主考官不學無術，多注重空洞無物的八股文，青睞華而不實的辭藻，而徐光啟注重實用的學問，不被考官看好也是必然的。直到萬曆二十五年（1597年），鄉試主考官焦竑慧眼識英才，錄徐光啟為解元，即第一名，徐光啟才避免了名落孫山的命運，並和焦竑結下師生情誼，在曆史上被傳為一段佳話。
漫漫十五年的鄉試之路，看著身邊的好友個個中舉而去，徐光啟內心承受著巨大的壓力。貧困的家庭一麵要承受天災侵襲下的艱難生活，一麵還要為徐光啟籌措趕考的費用。這一年，徐光啟趕考走後，母親錢氏常常從早到晚粒米未進，有一天在籬笆中找到一個幹癟的小瓜，才煮來充饑。徐光啟為了節省費用，往往在趕考途中自己擔著行李抄小路步行。遇到雨天，他更要在泥濘中艱難跋涉，趕到考場時已狼狽不堪。在這十五年漫長的應考歲月中，徐光啟為了補貼家用，除了讀書備考，還得外出教書。他先後到廣東韶州、廣西潯州兩地官員家中教書，足跡遍及浙江、江西、廣東、廣西數省。兩廣之行除了讓他體會到旅途艱辛、世態炎涼之外，還讓他有了另外一種收獲——結識了西方傳教士。而這也將影響他的一生。
在徐光啟去廣東韶州之前，西方傳教士已在當地定居，並建造了教堂。除了宣揚天主教教義外，傳教士們還會宣傳一些西歐地理大發現以來近代科學的成就，還會擺出一些鍾表、儀器、地圖等以吸引較有知識的讀書人，來引起人們對歐洲和對天主教的興趣。為了獲得認同，傳教士們往往會取個中文名字，還換上讀書人的儒服。萬曆二十三年（1595年），徐光啟到韶州教書時，就結識了這樣的一位傳教士，名叫郭居靜。這是徐光啟第一次見到藍眼珠、高鼻梁的白種人，他既好奇又興奮，攀談之中，又得知兩人年紀相仿，便談得更加投機。
從郭居靜那裏，徐光啟聽到了天主教的教義，了解到在中國之外，還有一個科學文明發達的歐洲存在，第一次接觸到聞所未聞的西方文明，這些引起了他對世界形勢的關心，增添了他進一步了解西方文化的興趣。郭居靜告訴徐光啟，到廣東來的傳教士們的負責人叫利瑪竇，是意大利人，很有學問，現在身在南京。徐光啟決心找機會拜訪利瑪竇，親自向他請教關於西方文明的諸多問題。而這時的徐光啟並沒有想到，日後他和利瑪竇的相識將成為明末中西文化交流史上光輝燦爛的一筆。