崇禎二年五月初一（1629年6月21日）這天，京城出現了日食。負責觀測天象的欽天監按舊的曆法推算日食的時間，結果卻與實際相差甚大，誤差超過半個小時。在封建時代，日食被看成是國家興衰治亂的征兆，受到高度關注。崇禎皇帝因為這次錯誤大為惱火，於是修改舊曆的任務便被提到日程上來。
其實天文曆算在我國有悠久的曆史，我國的曆法也一直處在世界曆法的先進行列。尤其是元代郭守敬所製的《授時曆》，是當時世界上最精確的一部曆法，比同時期流行在歐洲的《儒略曆》準確得多。明代的《大統曆》就是在《授時曆》的基礎上沿襲下來的。但是經過了三百多年，這部曆法一直沒有修訂過，自然出現了不少差錯。而1582年的歐洲，已開始使用經科學家們修訂過的新曆——《格雷高裏曆》。這部曆法吸收了很多科學成果，精密度很高，已超過了中國的曆法。西方傳教士來華時，也帶來了一些關於天文曆算的書籍，利瑪竇等人在天文學上也很有造詣。徐光啟在與他們的接觸中，深深感到參照西方曆法改革中國傳統曆法是十分必要的。這次修改舊曆的任務便順理成章地落在徐光啟的肩上。
從崇禎二年（1629年）到崇禎六年（1633年）徐光啟病逝，他最後幾年的心血全部投在了曆法的修訂上。盡管已是近七十高齡的老人，但徐光啟依舊保持著一絲不苟的工作精神和極端負責的工作態度。奉旨開設修曆局之後，講求實效的徐光啟訂立了修曆的方針：用人必須是務實的，製造的器具必求能夠實用，經費決不虛報冒領，時間不可虛度。修曆局缺乏天文曆法方麵的人才，徐光啟還大膽地用招聘的方法從社會上募集了一些有真才實學的人才。他要求修曆局的工作人員要具備“基本五目”的才幹，即“法原”“法數”“法算”“法器”“會通”。“法原”指對天文學基礎理論的了解，“法數”指了解天文數據，“法算”指能用數學解決天文上的問題，“法器”指了解天文器材的性能和使用，“會通”則指能把中國傳統天文學和西洋天文學融會貫通。徐光啟規定，以上各項能精通一項者，就可每月發給祿米一石，銀一兩八錢，兼通數項的可酌量增加，但怠工者要給予懲罰。由於賞罰分明，用人得當，人盡其才，修曆工作進展得很順利。
崇禎修曆工作，是繼翻譯《幾何原本》後，中西科學家的又一次重要合作。徐光啟的修曆局集中了一些西方傳教士中對天文學有高深研究的學者。他邀請了澳門的西方傳教士鄧玉函和龍華民來京協助修曆。二人幫助徐光啟翻譯了一批西洋天文理論著作，並指導年輕的中國實習生編製各種天文用表，還教授工匠們製造出探測天體的大型儀器。在鄧玉函病逝之後，徐光啟又推薦了兩名年輕的西方學者來到修曆局，他們就是湯若望和羅雅穀，湯若望後來在清朝也發揮了促進中西交流的作用。
在修曆過程中，徐光啟十分重視實測的作用。他雖年近古稀，眼力和腿力已漸虛弱，但仍事必躬親，日夜登台觀測天象，以取得最準確可靠的數據。崇禎三年（1630年）嚴冬的一天，他在刺骨的寒風和漫天飛舞的雪花中登上觀象台測驗器具，不慎失足跌落台下，腰部和膝部都受了傷，不能行動。經過一段休養，雖然傷痛並未痊愈，可徐光啟仍然邁著蹣跚的步伐，堅持到測候現場，有時到夜深了，他還和工作人員一起守候在儀器旁觀測天象。他給皇帝的上書中說：“非臣目所親見，實臣心所未安也。”徐光啟的這種認真負責的工作態度，讓身邊人感動不已。明末學者、文學家張溥記述了徐光啟對科學研究“老而彌篤，孜孜不倦”的感人情景。他在《農政全書》的序文中寫道：“我出生已晚，但在崇禎四年春天，還是有幸獲得了我的老師徐文定公的指教。當時我聽說老師正在研究西方曆學，就約了同學徐退穀一起前去請教。隻見老師端坐在鬥室之中，奮筆疾書。一丈見方的臥室內，隻在床上鋪了一條粗棉布的被子，連帳子都沒有掛，這哪裏像朝廷大臣的住處啊！居住條件之簡陋，與貧寒的知識分子有什麼區別呢？老師勤奮好學，冬天不烤火爐，夏天不用扇子，分秒必爭，專心致誌於治學。當年我親眼看到老師仔細推算緯度，然後把計算結果用蠅頭小楷，端端正正地記錄下來，每天工作到半夜，方肯罷休。”徐光啟對待科學研究的這種勤奮、刻苦和極端認真的精神，怎能不令人肅然起敬？