為了推動北方經濟快速發展，徐光啟還試驗引進一批經濟作物。他有計劃地從上海、安徽等地買來各種藥材，如生地、何首烏、牛膝、貝母、當歸、遠誌等，種下去，收成也不錯。他還寫信讓上海的家人給他寄來雞冠花、鳳仙等花的花籽，種在房前屋後的空地上，並改造了從傳教士那裏學來的“製藥露法”，用各種花朵做成香露，銷路很好。徐光啟在天津還試種了葡萄，其中的白葡萄一株可產數鬥果實，每畝可收百擔，經濟效益可觀。他還認為北方沒有梅雨季節，很適宜養蠶。但北方的桑葉質量不如南方好，徐光啟就想把南方的桑樹移植到北方去。這樣的試驗、嚐試還有很多。
天津屯田，是徐光啟直接參加農業科學實踐的第二次比較集中的時期。上海和天津，一南一北，在江南水鄉和華北平原這兩個不同的典型地區的實踐，使他的視野更加寬闊，對農業科學規律的總結更具有普遍的意義。在天津的這幾年，徐光啟早出晚歸，手執鋤頭、鐵鍬，親自參加田間勞作，休息時就博覽古今農書，還隨時請教當地農民。幾年下來，他積累了大量的農業研究經驗，對各項實踐都作了記錄。參考研究心得，徐光啟寫成了《北耕錄》《宜墾令》等書，介紹了一些耕作、施肥的經驗，號召有識之士進行墾殖。
在天津墾殖的後期，徐光啟還把曆年務農的心得體會、理論成果加以總結，寫了一部綜合性的通俗農書——《農遺雜疏》。所謂“遺”，徐光啟取之古書《周禮》的“遺人”之“遺”，意思是要充分利用農業資源，不要有所遺失。徐光啟寫這本書的目的在於勸告農民采用先進的、有效的生產技術，實行多種經營，提高產量，以獲得更多的產品，還要在平時多加積累，以備荒年的不足。《農遺雜疏》裏包括他先前所寫的甘薯、蕪菁、吉貝的小冊子，也包含他收集的論糧、棉、蔬、果、農藝以及畜牧技術的綜合知識，可以說是一部農業小百科全書。這部著作為徐光啟以後編寫大規模的《農政全書》打下了堅實的基礎。
正當徐光啟在天津墾殖的前途一片光明時，明朝的政壇卻越加昏暗了。一些朝廷重臣盲目排外，視西洋事物為異端，欲除之而後快。有一些慣會揣摩上級意願的小人趁機上奏要求驅逐外國傳教士，懲罰信教的中國士大夫，並在南京無理拘捕了二十餘名傳教士，把他們押解遠走，這就是“南京教案”。徐光啟曾憤而向皇帝上奏，力勸皇帝不要排斥剛剛傳入的西方教義和科學技術，但最終並未獲得成功。與此同時，遼東滿洲人入侵，朝廷練兵不力，軍政腐敗，徐光啟對政局感到十分沮喪。天啟元年（1621年），在萬曆皇帝駕崩之後，天啟皇帝繼位——這是一個整天與斧子、鑿子為伍，喜歡做木匠活、不問朝政的糊塗蟲。朝廷大權掌握在宦官魏忠賢的手中，他結黨營私，無惡不作。徐光啟就此對朝政不抱任何希望，在當年秋天，他毅然辭職，踏上了南歸上海的旅程。
這時，唯一能給徐光啟以安慰的是，上海的田地經過兒子多年的經營，這時更具規模，使他有條件進行農業科學的研究和試驗。政治上的失意，在客觀上提供了一個條件，使徐光啟能有幾年空閑時間，將醞釀多年的《農政全書》整理定稿。這本書寫於天啟五年（1625年）到崇禎元年（1628年）之間。當時還沒定下這個名字，而是稱為《種藝書》或《農書草稿》。徐光啟生前也沒有來得及刻印，而是在他死後六年，由他的朋友陳子龍替他刊行的，並取名為《農政全書》。
《農政全書》共六十卷，十二門類，五十餘萬字。前三卷講“農本”，記述了曆代有關農業生產、農業政策的經史典故和諸家議論，是全書的緒論；接著的兩卷是“田製”，敘述了古代土地製度，古代農學家關於田製的論述，徐光啟本人對古代井田的見解和耕方式的討論。接下來的內容涉及土地利用方式、各種耕作方法、農田水利、農具、農時、開墾、栽培等類別。其中的栽培一類，已論及樹藝、蠶桑、畜牧、養魚、養蜂等農業技藝，充分反映了明代農、林、牧、副、漁等多種經營的繁榮。最後一個門類是“荒政”，詳細考察了曆代救荒政策和措施，總結了我國古代勞動人民同自然災害作鬥爭的經驗。
在這十二門類中，最突出的是“水利”“荒政”兩門，前者九卷，後者十八卷，共二十七卷，占了全書內容的三分之一以上，可以看出作者的傾向和注意力所在。徐光啟認為，通過興修水利以增加農業生產，和救濟災荒以安定人民生活，是當時亟待解決的問題，所以把它們列為全書的重點。而《農政全書》的高明之處，在於書中很大一部分內容，超出了農業生產技術的範圍，涉及到政策方針、財政經濟、農田基本建設以及備荒、救荒等更加宏觀的問題。