萬曆二十五年（1597年）對於徐光啟來說是幸運的一年，這一年他得到主考官焦竑的賞識，奪得了鄉試第一名——解元。盡管第二年春天的會試失利了，徐光啟還是開心地返回了故鄉上海縣，接受親朋好友的祝賀。他在家中住了一年多，正忙於安排家計，忽然聽到了恩師焦竑辭官的消息，大為驚詫。原來焦竑不但是個思想先進、愛才惜才的“伯樂”，還是一名為人耿直、嫉惡如仇的官員。他遇到不平之事就直言不諱，得罪了執政的大臣，在朝廷上受到了排擠。對朝政失望之餘，焦竑辭去官職，回到南京老家過起了隱居生活。徐光啟聞聽此事，立刻安排好家裏的事，於萬曆二十八年（1600年）春天前往南京看望焦竑。
南京是當時明朝的陪都，許多知名學者和文人都聚集在這裏進行講學，學術思想很活躍。於是天主教傳教士利瑪竇也在南京開展傳教活動，並與焦竑結為了朋友。看到遠道而來的徐光啟，焦竑十分高興，與他暢談南京的風土人情、人文勝跡，不免也聊到了傳教士利瑪竇。焦竑送給徐光啟一份世界地圖作為見麵禮物，令徐光啟愛不釋手。
徐光啟得到的這張世界地圖，最初稱為《山海輿地圖》，又稱為《輿地山海全圖》，是利瑪竇於萬曆十二年（1584年）繪製的，是中國最早引進的新型世界地圖。萬曆二十八年（1600年）應南京官員之請，利瑪竇重新修訂了這幅地圖，並把它翻刻出來，在南京士人中流傳。
這幅地圖是以意大利米蘭安布洛茲圖書館所藏世界地圖為底本繪製的。地圖上麵明確標示出地球是圓的，圖中繪有經緯度、赤道、五帶，並正式介紹了五大洲的輪廓。地名都翻譯成了漢語，還酌量附加了有關地理、物產等方麵的說明。這張地圖給當時的中國人一個全新的觀念：地球是球形的，懸在空中，上下都有人居住；中國處於一塊大陸之上，中國之外還有許多土地和許多國家。當時距哥倫布發現新大陸已有八十餘年，周遊地球的人已為數不少。而包括徐光啟在內的絕大多數中國人仍遵循傳統，認為整個世界是“天圓地方”的，明朝在世界中央，是唯一的“天朝大國”。利瑪竇的這張世界地圖，讓中國許多思想開明的知識分子開始睜開眼睛，注目世界。
徐光啟看到這幅地圖，頓感耳目一新，眼界大開，對五大洲的分布，對世界各國的疆域有了較為清楚的了解，從而激發了他了解西方、尋找科學真理的願望。再加上他在廣東韶州教書時已聽說過利瑪竇，便決心趁這次來到南京的機會，上門拜訪這位外國傳教士。結果兩人一見如故。利瑪竇室內琳琅滿目的擺設、各種奇形怪狀的科學儀器深深吸引了徐光啟。兩個人從天文到地理，從日食、月食到經緯度，從數學到繪圖學，談得十分投機，利瑪竇還時不時穿插講一些天主教的教義。雖然徐光啟這時還沒有下決心入教，但已深深地被這位年長他十歲的傳教士吸引住了，成為他日後回鄉時仍念念不忘的記憶。
三年後，徐光啟又一次到南京專程拜訪利瑪竇，可不巧的是，利瑪竇已上北京了，另一位傳教士羅如望熱情地接待了徐光啟。羅如望認真而又虔誠地向徐光啟解說了天主教的教義，並送給他兩本利瑪竇寫的書：《天主實義》和《天主十誡》。在這兩本書中，利瑪竇從中國古代典籍中找到一些關於“上帝”的記載，並“證明”此“上帝”與“天主”是同義詞，以此來更有效地勸說中國的讀書人入教。徐光啟讀完這兩本書後，表示願意加入天主教。羅如望便為他行了洗禮，讓他成為正式的天主教徒，取教名為“保祿”。這樣，徐光啟與傳教士的關係更加密切了，他吸收西方先進科學思想的方便之門也打開了。
萬曆三十二年（1604年）徐光啟來到北京參加會試，考上了進士，又通過幾次分配性的考試，進入翰林院做了庶吉士。要知道，翰林院在當時可是培養高級官員的地方。除了考取進士的前三名——狀元、榜眼、探花可以直接進入翰林院做官外，其他進士還得通過考試，成績優異的才能入翰林院，稱為“庶吉士”，類似於現在的研究生。他們還需要在翰林院讀三年書，定期做文章。三年學成，經過考試，成績優良的便可分配到重要的官職，前途不可限量。