萬曆三十八年（1610年）底，徐光啟三年守喪期滿，準備回京赴任。路途中，他心急如焚，恨不能立刻趕回京城。並非是徐光啟急著做官，而是他在家鄉收到了利瑪竇去世的訃告，現在急著參加利瑪竇的安葬儀式，親自送上對這位良師益友的哀悼。往事曆曆在目，回顧與利瑪竇燈下共譯《幾何原本》的情景，徐光啟感慨萬千。他想起自己離京前，利瑪竇曾向他提過西方的水利器械大可借鑒過來，還把另一位傳教士熊三拔介紹給他說：“此公是西方水利研究的專家，欲知詳情，還需向他多多請教。”徐光啟決心與傳教士再次合作，翻譯一本西方的水利書籍。
回到京城後，徐光啟找到傳教士熊三拔，婉言向他提出介紹西方水利器械的事。熊三拔也是意大利人，是利瑪竇的後輩，為人聰明博學，精通天文和水利。但是他比利瑪竇謹慎，因為介紹西方水利機械不在傳教事務範圍之內，否則會引起教士們的流言蜚語，影響他在教務方麵的前程。他麵有難色地推辭了這件事。
徐光啟並沒有因為熊三拔的拒絕而灰心，他已留意農田水利二十多年，對水利建設的重要性有強烈的認識，當他回到家鄉，看到農民們仍舊使用落後的水車工具，十分費力，就更覺得有引進西方先進器械的必要。徐光啟覺察到熊三拔的難處，勸熊三拔說：“天主不是造福於萬民嗎？先前的利瑪竇先生把天文、曆法、數學等知識毫不吝惜地傳給我中華，備物致用，就是為了造福萬民，結果他受到了廣泛的讚譽。您如今向中國傳授西方的水利知識，也是利瑪竇先生當時的夙願，如果願望達成，將福澤後世，請您考慮一下吧。”這番話打動了熊三拔，他答應向徐光啟每日講授西方水力學原理和工程學知識。徐光啟把熊三拔所說的內容一一記錄下來，然後整理成文。
從萬曆三十九年（1611年）夏天開始，一直到萬曆四十年（1612年）春天，徐光啟完成了《泰西水法》的編寫工作，並著手付印刊行。泰西，就是西歐的意思；水法，是水利之法的意思。這次編譯，與翻譯《幾何原本》不同。《幾何原本》是數學名著，翻譯時應力求忠實於願意。而《泰西水法》的內容雖然主要是介紹西方水利，包括水利器具及水庫工程等，然而徐光啟並沒有照本直譯，而是結合我國原有的水利工具，選擇西方科技中確實先進的部分，加以翻譯整理。所以這本書實際上也是徐光啟比較、研究東西方水利知識的成果集成。
《泰西水法》共六卷，前四卷講取水、蓄水的方法。特別是前兩卷全文介紹了三件水利器械的製作和使用過程。這三件器械便是龍尾車、玉衡車和恒升車，是從江河或井中汲水的工具，旱時可靠它們汲水灌溉，澇時可用它們抽出田間的水，它們不但功能強大，還可借助風力、水力或氣壓推動，很省人力。徐光啟的好友曹於汴評價說，有了這些器具，“江河之水，井泉之水，雨雪之水，無不可資為用，用力約而收效廣”。《泰西水法》的第五卷講水質、水理。第六卷為圖集，繪出了有關器具的圖式。書前，徐光啟寫有《泰西水法序》，指出如果水利搞好了，“富國足民，或且歲月見效”。這種說法是很有見地的。
尤為可貴的是，徐光啟不僅做了一般的文字翻譯，他還結合上實物的試驗。他請來許多木工，把熊三拔介紹的西方水利器械一一製出成品，然後應用到農田中試驗功效。一時間，熊三拔的天主教堂中到處擺放著水利工具部件，還聚集著許多手工工匠，隨著徐光啟一同專心地聽著講解。這種結合試驗的翻譯方法，受到了當時京城中學者的讚賞。很多人都派了能工巧匠來到徐光啟這裏學習製作方法。當時有一位農業專家，名叫彭惟誠，正在離京城南三十裏的良鄉試種水稻，聽說京城的徐光啟、熊三拔正在試製新式水利器械，便立刻派了幾名工匠來天主教堂學藝，然後把製成的器械帶回良鄉，經過試驗，效果非常好。此後，徐光啟在天津墾殖時，又把這些水利器械帶到天津試用，也立見功效。這樣，《泰西水法》便成為了一個西法中用、中西自然科學結合的成功典範。
這時的徐光啟，在引進西方先進農業科學方麵還有不少其他的成就。他曾在寫給家人的書信中提到應用“西洋種葡萄法”來嫁接葡萄以取得更好的品種。徐光啟還談到引用西洋的“製藥露法”，把中國傳統的中草藥，如麥冬、何首烏、山藥、酸棗仁等製成藥液，長久儲藏，有專家評價他“在中國藥學史上添上了新的一頁”。