正當徐光啟在吸收西方先進科學方麵卓有成效時，他的仕途卻起了風波。徐光啟自萬曆三十八年（1610年）回到京城後，仍任翰林院檢討一職。這是個較為清閑的官職，不負責具體的行政事務，所以有時候朝廷會派給他一些臨時性的任務。萬曆三十九年（1611年），他被派到宮廷內部主管宦官的教學工作，就是教那些太監們識字。當時正是宦官得寵、仗勢欺人的時候，一些沒有骨氣的知識分子常常就此巴結宦官，青雲直上。但徐光啟從內心裏不喜歡這一工作，看不上趨炎附勢者的嘴臉，不免得罪了一些宦官。到了萬曆四十一年（1613年），他又被委派為當年會試的同考官。本著提拔人才精神的徐光啟又大大惹惱了一個名叫魏廣微的宦官親信。這個魏廣微投靠宦官，常常為虎作倀，迫害排擠正直的知識分子。這一次，魏廣微靠著宦官的勢力當上了會試的同考官，與徐光啟一同閱卷。魏廣微妒才嫉賢，擯斥了品學兼優的鹿善繼等人的試卷，使他們落選。而當徐光啟再次閱卷時，認為這幾人不僅治學嚴謹，而且為人正直，應試文章又都是經世致用之文，因此堅持把他們錄選。這就引起了魏廣微的嫉恨，他到處散布謠言，說了徐光啟很多壞話，甚至說他與西洋傳教士暗相勾結，圖謀不軌。再加上這一時期，徐光啟和一些有識之士主張修訂曆法，引起了守舊派的不滿，閑言四起。這些使徐光啟甚為憤恨，決心托病告假，離開京城這塊是非之地，並利用這段時間進行農業科學實驗，從另一途徑為社會作些貢獻。
選擇什麼地方進行農業試驗，徐光啟很是費了一番思索。他一度考慮過回上海老家，還給留在家鄉的兒子寫了一封信，希望兒子在上海城外再購置些田地。然而這個方案沒能實行，上海人多地少，地價昂貴，沒有太大的可能搞大型的農業試驗場。這樣，徐光啟把目光轉向了地廣人稀的北方，最終選擇了天津。那時，天津一帶有很多荒田，既有水源，地價又極為便宜，給政府交的稅又輕，實在是個理想的地方。而且天津離京城近，便於聯係熊三拔等傳教士，對徐光啟繼續從事科學研究比較有利。更為重要的是，徐光啟通過自己在京城多年生活的體驗，發現南北方的經濟發展很不平衡，特別是在糧食生產這個關係國計民生的大問題上，北方要遠遠落後於南方，每年的南糧北調費時費力，還需幾百萬的漕運費用。徐光啟希望通過在北方試種、推廣水稻及其他南方高產糧食作物和經濟作物，使北方的農業生產發展水平接近江南，從根本上改變南北經濟發展不平衡的局麵。
萬曆四十一年（1613年）秋末冬初，徐光啟帶著他的理想和科學知識來到天津，從最初的八百畝田地做起，一步步地實踐著他的農業試驗計劃。最初兩三年，他種植小麥獲得成功，不但有了充足的資本，而且具備了將試驗進行下去的充足信心。
做足了準備工作，徐光啟著手在天津農田裏播種水稻。他先細心地研究了農田的地勢和周圍的河道，又研究了濱海鹽堿地的特性，發明了適用於當地既可抗旱防澇，又可洗堿的水利工程技術，使水稻得以順利成活。然而試種當年並沒有收成。雖然稻秧長得挺拔壯實，根大如鬥，但並不結實飽滿，以致一年到頭顆粒無收。徐光啟並沒有氣餒，而是積極地尋找原因。原來，徐光啟為水稻施肥用的還是江南地區的老辦法，並不適用於北方的土質。經過多方詢問和試驗，徐光啟改用麻灰作肥料，大大改善了水稻的生長條件。萬曆四十五年（1617年），徐光啟試種水稻獲得成功。後來，經過一代又一代不斷總結經驗，他培育出了一種叫“小站稻”的優良品種，天津地區也成為了我國北方產稻的重要中心。這是和徐光啟的辛勤努力分不開的，南稻北種的成功，為北方種植水稻積累了豐富的經驗。