時隔八載，徐光啟再度投筆從戎。這時崇禎皇帝已經即位，懲治權閹魏忠賢，剪除了閹黨勢力。崇禎力圖刷新政治，任用賢能，恢複了徐光啟禮部右侍郎兼翰林院侍讀學士協理詹事府事的原職。其實此職是徐光啟辭官閑住時由魏忠賢之流封的，他並沒有到任。1628年(崇禎元年)8月，徐光啟束裝就道，由上海到北京，覲見崇禎。次年4月升任禮部左侍郎，主持禮部日常事務。9月他又受命督修新曆。正當徐光啟全力以赴地籌劃曆局事宜時，後金軍隊由皇太極率領揮師入關，圍困薊州，攻陷遵化、撫寧，威逼京師。1629年(崇禎二年)12月，後金兵攻入太安口，京師宣布戒嚴。半月後後金兵已攻至北京德勝門。兵臨城下，勢如壘卵，崇禎急忙召集群臣，商討退敵計策。徐光啟在召對中力主守城，得到皇帝的首肯。徐光啟隨即放下曆局工作，以主要精力從事火器製造和保衛京師的鬥爭。
年近古稀的徐光啟，滿懷愛國之情，日夜在城防上奔波，教練軍士，布置防務，饑渴俱忘，風雨不避。他製定的《城守條議》，就守衛京師作出了具體規劃。《條議》提出，應當動員廣大市民投入保衛京師的鬥爭。城中並不缺乏智勇奇士，應廣泛收求加以錄用。不論是勇力絕倫的，武藝出眾的，善用火器的，能造守城器械的，都可由京官保任。對於市民提出的有關城防的意見，不拘尊卑，每天由負責官員議定，可行的便通知各處遵照執行。如吏部主事楊伸有名家人善用石炮，徐光啟提議任命他為教師，教守城軍民製作炮架，臨時施用。這些事實反映了徐光啟的軍事民主思想。正是因為徐光啟采取了行之有效的舉措，森嚴壁壘，嚴陣以待，才使得後金軍隊最終不敢進攻北京。
後金軍隊退去後，徐光啟建議利用這段間隙，立即趕造火炮和加緊選練守城士兵，進一步鞏固京師的防務。他指出，後金軍之所以不攻京師，不攻涿州，就是因為畏懼火器的威力。這種當時最先進的新式武器，物料真，製作巧，藥性猛，射程遠，精度高。他籌劃在北京設立一個小兵工廠，並建議在揚州、潞安開局鑄炮。徐光啟聽到傳教士陸若漢、公沙的西勞提議去澳門購炮和遴選銃師，極為讚賞，表示願親自前往。光有火器並沒解決所有的問題，還必須有能熟練使用火器的軍隊。為此他提出一套組建和訓練車營的辦法。所謂車營，就是組成一支三五千人裝備火器的隊伍。這支隊伍不但能守衛城垣，而且能出城作戰。以此為基礎，把習銃的軍隊擴大到二三萬人，一半在城中訓練，一半在城外巡守。製定訓練計劃要嚴格，辦法要切實，“寧為過求，不為冒險；寧為摭實，無敢鑿空”。1631年(崇禎四年)11月，徐光啟又上書皇帝，提出一個他精心設計的精兵方案。這個方案的要點是，以六萬人編為十五營，每營四千人，配備雙輪車一百二十輛，炮車一百二十輛，糧車六十輛，另配西洋大炮十六門，中炮八十門，鷹銃一百門，鳥銃一千二百門。他請求以登萊巡撫孫元化的部隊為基幹，先組成一營，然後逐步擴展。練成四五營，則不憂關內；練成十營，則不憂關；十五營俱就，則不憂進取。可是兩個月後，後金兵進攻關外大淩河，孫元化派部將孔有德增援，孔有德在吳橋發動兵變，西洋火器悉數落入孔有德之手，不久孔有德又帶著這些武器投降了後金，致使徐光啟的計劃完全破滅。自此以後徐光啟心灰意冷，再也不言兵事。
徐光啟的軍事思想中包括了許多有價值的見解。如他重視民眾的作用，主張動員民眾參加軍事鬥爭；他注重提高軍隊的戰鬥力，主張嚴加選練；他認識到武器是克敵製勝的重要因素，倡議引進西洋火器；他反對平分兵力，主張集中優勢兵力殲敵一路，等等。但他的軍事實踐卻是失敗的，具體的表現就是練兵計劃的屢次落空。其根本的原因是晚明政治腐敗，經濟凋蔽。一方麵是國力衰弱無力支付巨大的練兵製器費用，一方麵是權奸當道，百般刁難，處處掣肘，單靠徐光啟一人的苦心經營是無法挽回明王朝的頹勢的。
精研天文，督修新曆
在守城製器的前後，徐光啟還領導了修改曆法的工作。天文曆算在我國有悠久的曆史和輝煌的成就。十三四世紀歐洲的儒略曆出現嚴重失誤的時候，我國元代科學家郭守敬便製定了《授時曆》，把中國曆法提高到更加準確的程度。明代的《大統曆》就是直接承襲《授時曆》的。但是由於長期沒有修訂，到明晚期，《大統曆》也多次發生顯著的失誤。
徐光啟很早便潛心學習和研究天文學。天文學曾是徐光啟學習西學的重要內容之一，入翰林院後，仍花了很大氣力從事天文學的研究，他先後寫了《山海輿地圖經解》、《題萬國二寰圖序》、《平渾圖說》、《日晷圖說》、《夜晷圖說》、《簡平儀說》等著作。這說明徐光啟不但對西方天文儀器的構造、原理、用途有了充分的知識，甚至對西方測天的方法和理論，也進行了深入的研究。徐光啟在當時的天文學界已有較高的聲譽，所以禮部在1612年(萬曆四十年)1月奏請修改曆法時，他便以“精心曆理”與邢雲路、範守己、李之藻等同時受到舉薦。因萬曆帝久居深宮，疏於政務，此議被擱置下來。然而，徐光啟並未放棄修改曆法的努力，繼續進行各方麵的準備，如物色培養天文學人才，翻譯西方天文學著作等等。
機會終於來了。1629年6月21日(崇禎二年五月朔)日食，欽天監預推失誤，而徐光啟用西法推測食分時刻卻被驗證。崇禎嚴辭切責欽天監官員。在這種情況下，禮部奏請開設曆局，修改明初開始推行的《大統曆》。9月1日，崇禎皇帝正式下令修曆，並命徐光啟督領修曆事務，李之藻協理修曆。曆局設在宣武門內原首善書院。9月13日，徐光啟上《條議曆法修正歲差疏》，提出修改曆法的步驟和方法，急需的儀器及人員的調配等。這份文獻實際上成為修曆工作的綱領。後來他提出的“欲求超性，必先會通；會通之前，必先翻譯”，則成為貫穿整個修曆過程的指導思想。
按照徐光啟的計劃，修改曆法應當以西法為基礎。其中固然有西法運算周密，在推算上確實優於舊法的科學本身的原因，也有舊法創製已久，法理難明，而西法經傳教士廣為宣傳造就了一批通曉天文曆算的人才這種客觀上的原因。徐光啟把翻譯西方天文學著作當作修曆的第一個必須的步驟。那時傳到中國的西方天文學著作雖然卷帙浩繁，如1620年傳教士金尼閣攜來的七千部書籍中，相當一部分是天文學著作。盲目翻譯需耗費大量的人力物力，且曠日持久，顯然不行。徐光啟又有針對性的提出，要有選擇地組織翻譯，要區別輕重緩急，首先選譯那些最基本的東西，循序漸進。在內容上要包括歐洲天文學的理論、計算和測算方法、測量儀器、數學基礎知識以及天文表、輔助用表等的介紹、編算等。徐光啟本人也積極投入了翻譯工作，他參預編譯的著作就有《測天約說》、《大測》、《元史揆日訂訛》、《通率立成表》、《散表》、《曆指》、《測量全義》、《北例規解》、《日躔表》等。
作為修曆的組織者和領導者，徐光啟的眼光並沒有停留在譯成一批西方天文學著作上。他的心願是編成一部融彙中西曆法優點，達到當時最高科學水準的曆書。為了實現這個理想，徐光啟對曆書的結構作了精心的擘劃。他提出整部曆書要分為節次六日和基本五日。節次六日是《日躔曆》、《恒星曆》、《月離曆》、《日月交食曆》、《五緯星曆》、《五星交會曆》。這六種書由易到難，前後呼應，研討天體運動的規律，介紹測算天體運動的方法。基本五目包括“法原”、“法數”、“法算”、“法器”和“會通”，是整部曆書的五大綱目。法原是天文學的基本理論，包括球麵天文學原理。前述節次六日即屬於法原的範圍。法數是天文表。法算是三角學和幾何學等天文學計算中必須的數學知識。法器是天文儀器。會通是舊法和西法的度量單位換算表。這基本五目包容了有關天文曆算的全部重要知識。以後《崇禎曆書》的編寫工作，幾乎完全是按這個計劃進行的。徐光啟是曆局的最高領導人，直接對皇帝負責。他主持曆局的四年間，從製定計劃、用人、製造儀器設備、觀測、譯撰直到錢糧細事，一應事務，無不操持，僅就各種事宜向皇帝上疏便有三十四次之多。他不辭辛勞，親自參加撰寫和編譯工作。《崇禎曆書》中的《曆書總目》一卷、《治曆緣起》八卷、《曆學小辯》一卷，都是他獨力撰著的。此外，他還要對全部書稿進行審閱和修改，作文字上的潤飾。每卷要修改七八次才能定稿。1633年辭世前夕，他還上疏介紹剩餘的六十卷書稿的情況。其中三十卷由他審改定稿，另三十卷草稿中也有十之一二經他修改，十之三四經他審閱。可以說，沒有徐光啟的全力支撐，曆局工作順利進展將是不可想象的。
徐光啟深知實測天象對天文學研究的重要意義。為了使新曆更趨科學，修曆當中徐光啟多次組織曆局人員觀測日月食、五星運動和節氣時刻，取得了大量科學數據。每逢日月食，他常常親往測候，盡可能掌握交食時刻和食分的第一手資料。此前，我國觀測日月食多用肉眼，精確度很低。尤其在觀測日食時，由於陽光強烈刺目，初虧與複圓的時刻很難定準，食分的大小也不易測準，食分小的日食更難發現。古代也曾有用水盆映象的方法測量日食，但往往受水麵搖蕩的幹擾。徐光啟把剛剛傳入中國的望遠鏡技術用於天文觀測，取得了很好的效果。在他的治曆疏稿中，多次提到用望遠鏡觀測日月食的情況。其方法是在密室中斜著開一道縫隙，將窺筒眼鏡置於此處，日食的情況透過望遠鏡投射到畫好日體分數的圖板上，虧複和食分一目了然。用這種方法大大提高了觀測數據的精度。製造望遠鏡並用於天文觀測，徐光啟是我國曆史上的第一人。徐光啟自己備有一部《觀景簿》，是他持之以恒觀測天象的記錄。其中有多年諸曜會合、淩犯行度和節氣時刻的觀測結果。1629年(崇禎二年)，他還主持了一次天文大地測量，測定了山東、河南、湖廣、四川、北京、南京等地的經緯度。測量中采用了西方先進的測量方法和技術。後來，根據實測的結果，他又主持繪製了一份當時最完備最精確的星表和星圖。這份星圖現即稱為“徐光啟星圖”，它是我國目前所見最早包括了南極天區的大型全天星圖。
對天文學研究來說，儀器設備的重要性比起其他學科更加明顯。儀器設備先進與否，直接決定著天文學發展的水平和曆法的準確程度。徐光啟在改曆之初，就提出了製造儀器的計劃。他為此事專門上疏皇帝，提出“急用儀象十事”，建議製作地球儀、七政列宿大儀(即天球儀)、平渾懸儀、交食儀、60度紀限大儀、90度象限大儀、日晷、星晷、自鳴鍾以及望遠鏡等十種儀器共二十七件。像這樣大量引進製造西法儀器，是前所未有的。在原有的觀測手段相當落後的情況下，引進仿製西法儀器是迅速提高觀測水平的有效辦法。當然，引進的目的是“會通超勝”，因此在實際製作中根據中國的情況作了適當的改造與變動，例如儀器上二十四節氣的刻畫，宮、度等對應的中文名稱和刻度，儀器的造型風格的和花飾等等，都體現了中國的特點。徐光啟等明代科學家在這方麵的探索，為清初用西法澆鑄大型銅質天文儀器積累了寶貴的經驗。特別值得指出的是，伽利略望遠鏡問世不久，1618年由傳教士鄧玉函介紹到中國，徐光啟便敏銳地感覺到它對天文觀測所具有的重要意義，剛著手修曆就裝配了三架望遠鏡，使得觀測精度大為提高。
精心培育造就科學人才，是徐光啟主持修曆期間的又一貢獻。他以一個科學家的長遠眼光和博大胸懷，把曆局辦成了一個延攬八方英才的科學家搖籃，表現出非凡的領導才能。在用人方麵，他采用廣谘博取、不拘一格的方針，果斷宣布：“不拘官吏生儒，草澤布衣，但有通曉曆法者，具文前來”，“果有專門名家亦宜兼收”。他把能明度數本原、精通測驗推步、善於製造大小儀器的人選為“知曆人”，參與修曆，還招考能書善算的年輕人為“天文生”，進行重點培養。曆局中不但有李之藻這樣的對天文曆法造詣甚深的中國學者，也有知曉西法的外國傳教士龍華民、鄧玉函、羅雅穀、湯若望等。為使修曆大業後繼有人，徐光啟在培養扶持後生晚輩上傾注了極大的熱情。他自知病重，便於1633年(崇禎六年)10月31日上疏，大力舉薦原山東布政司右參政李天經，說他“博雅沈潛，兼通理數，曆局用之尤為得力”，請求派他接替自己主持曆局事務。李天經果然不負所望，在徐光啟去世後秉承遺願，主持完成了《崇禎曆書》。徐光啟很重視培養官生。每一部書稿編寫完，就把它作為教材向官生傳授。這樣做的結果，待到新曆編成，一大批掌握新曆法的天文學專門人才也就培養出來了。對曆局工作人員的勞動成果，徐光啟是十分尊重的。他在臨終前還特意上疏，保舉改曆有功人員和學業優良的官生。曆局全體人員團結一致，通力合作，終於使《崇禎曆書》這部煌煌巨著得以順利完成。