《原本》（十三卷）是古希臘數學家歐幾裏得在總結前人成果的基礎上編成的，這部古代數學名著，以嚴密的邏輯推理形式，由公理、公設、定義出發，用一係列定理的方式，把初等幾何學知識整理成一個完備的體係。這部劃時代曆史巨著融整個古希臘數學成果和精神於一爐，第一次完成了人類對空間的認識，既是數學巨著，又是哲學傑作。它所代表的邏輯推理方法，再加上科學實驗，是世界近代科學產生和發展的重要前提，在西方是僅次於《聖經》而流傳最廣的經典著作。
翻譯用的版本是德國人克拉維烏斯校訂增補的拉丁文本的《歐幾裏得原本》（十五卷）。在準備動手翻譯前，利瑪竇用疑惑的眼光審視坐在他麵前的徐光啟，這位長得斯文白皙、文質彬彬的朝廷官員，若論舞文弄墨當是遊刃有餘，但他的數學基礎行嗎？此前曾有兩個人，一個叫瞿太素，另一個叫張養默，曾先後自告奮勇對這本數學經典之作嚐試翻譯，但都因知識稍遜而半途而廢。現在第三個中國人要重開翻譯門，是否是明智之舉？麵對利瑪竇的一臉疑雲，徐光啟平靜地對他說：一物不知，儒者之恥。
從1606年的冬天起，兩位學者開始了緊張的翻譯工作。由利瑪竇用中文逐字逐句地口譯，徐光啟當即草錄下來，每譯完一段，徐光啟再字斟句酌地做一番推敲修改，然後由利瑪竇對照原著進行核對。如發現有譯得不妥之處，利瑪竇就把原著再仔細地講述一遍，讓徐光啟重新修改。徐光啟對翻譯工作一絲不苟，常常為了確定一個譯名而不斷琢磨、思考，不知不覺地從夜裏忙到天亮。由於歐幾裏得的這部著作是用拉丁文寫的，拉丁文和中文的語法、詞彙差別很大，書中許多數學專業名詞在中文中都沒有相應的現成詞彙。要譯得準確、流暢而又通俗易懂，談何容易。譯文中的平行線、三角形、對角、直角、銳角、鈍角、相似等中文名詞術語，都是經過徐光啟嘔心瀝血地反複推敲而確定下來的。
在年餘時間中，利瑪竇和徐光啟每天風雨無阻地往來商討，廢寢忘食地辛勤耕耘，使這部巨著的前六卷終於在1607年春天譯出。付印前，徐光啟又獨自一人將譯稿加工、潤色了三遍，盡可能把譯文改得準確。然後他又同利瑪竇一起，共同敲定書名的翻譯問題。這部著作的拉丁文原名叫《歐幾裏得原本》，如果直譯成中文，不太像是一部數學著作；而按照其內容譯成《形學原本》，又很費解。利瑪竇說，中文裏的形學，英文叫作Geometria，其原意是希臘的土地測量，能不能在中文的詞彙中找一個同它發音相似、意思也相近的詞。徐光啟查考了十幾個詞組，都不理想，後來他突然想起了幾何一詞，取Geo的音為幾何，而幾何兩字的中文原意又有衡量大小、多少的意思。用幾何譯Geometria，音義兼顧，堪稱神來之筆，對《幾何原本》的書名，利瑪竇感到很滿意。
《幾何原本》前六卷於1607年正式問世後，引起巨大的反響，為明末從事數學工作者一部必讀之書，對發展我國的近代數學起了很大的作用。而《幾何原本》中譯本確定了幾何學這一研究圖形學科的中文名，並確定了幾何學中一些基本術語的譯名，成為徐光啟、利瑪竇的一個偉大貢獻。在這個譯本中定下來的一些幾何學中最基本的術語，如點、線、直線、平行線、角、三角形和四邊形等中文譯名，一直流傳到今天，且東渡日本等國，影響深遠。
這三年不平凡的利徐之交以及他們的合作成果，在中國科技文化史上寫下了濃墨重彩的一頁。《幾何原本》並不如利瑪竇期望那樣風靡當時，不過徐光啟知道，《幾何原本》的邏輯體係十分嚴格，敘述方式迥異於中國傳統的《九章算術》，也許一時難以被接受和受到青睞，但他預言：竊百年之後，必人人習之。曆史的進程似乎比徐光啟預料的緩慢，直到清朝末年廢科舉、興學堂後，幾何學才成為學校中必修科目之一，到這時才出現了他期待的必人人而習之的情況。
就在他們準備繼續把《幾何原本》的後九卷翻譯完的時候，徐光啟的父親不幸去世，使他不得不陷於一係列繁雜的喪事中，並扶柩回了上海，按照禮儀丁憂守製三年。三年中，一直在北京的利瑪竇，曾為在南方刊印《幾何原本》的事情與徐光啟有過一次聯係，然而兩個人都未曾料到，這次聯係竟是他們的訣別。
萬曆三十八年（1610年）五月的一天，北京阜成門附近的耶穌會士府邸內，58歲的利瑪竇用盡最後的一絲力氣，對另一名傳教士熊三拔囑咐了最後的遺言：我利瑪竇遠離故土，跋涉萬裏，來到中華，死而無憾矣！希望能把我和徐保祿合譯的書籍完成，改變中國人的思維方式。利瑪竇念念不忘的徐保祿，就是徐光啟的教名。徐光啟在十二月十五日才從上海回到北京，而利瑪竇早已於十一月一日下葬，他隻能在這位來自異國的良師益友墓前久久徘徊，寄托哀傷之情。
就因為這個意外，使《幾何原本》後九卷的翻譯推遲了二百多年，才由清朝數學家李善蘭和英國人偉烈亞力合作完成。
三
守製期滿回京複職的徐光啟，除幾次臨時性差事外，一直擔任較為閑散的翰林院檢討。
閑散意味著年歲的流逝、天才的浪費。對於徐光啟這樣的有誌之人，當時擺在他麵前的有兩條任其馳騁的陽關大道：一是努力挺進三十功名宦途路；二是從頭邁步八千裏路文化旅。在那個年代，有兩個聲勢浩大的團體都向徐光啟敞開了大門，歡迎他的加入，一是政治派別東林黨和東林書院，二是文學流派公安派。
風聲、雨聲、讀書聲，聲聲入耳；家事、國事、天下事，事事關心。東林黨首領顧憲成撰寫的這副對聯，已經成為委婉地反映晚明時期朝野黨派廝殺的經典之作。晚明史上轟動一時的東林書院，於萬曆三十二年（1604年）創建，天啟五年（1625年）被朝廷禁毀，隻存在了短短的二十一年，卻在當時社會上激起萬丈波浪。起於吳中的東林黨，主要成員多是江南讀書人，不言而喻，徐光啟理當與他們多有交往。但他心有所屬，沒有把閑空時間和心思用到政治鬥爭上，在閹黨和東林黨兩者之間不做左右袒，天馬行空，獨來獨往。
在明朝後期的文壇上，也呈現了獅子龍燈一起舞——熱鬧非凡的景象。各種文學（戲曲）流派如公安派、竟陵派、臨川派、吳江派相繼崛起，而其中以袁宏道及其兄袁宗道、弟袁中道三人為代表的公安派更是一家獨大。公安派所持的文學主張與前後七子擬古主義針鋒相對，他們提出世道既變，文亦因之的文學發展觀；又提出性靈說，要求作品獨抒性靈，不拘格套，直抒胸臆，不事雕琢。在晚明的詩歌、散文領域，公安派聲勢最為浩大，影響十分深遠。
應該說，徐光啟有足夠的才能和資本成為公安派的一員大將，早在他沉浮於官宦生涯之前，設館教學於鄉中時，就曾孜孜求學，必將醞釀於詩書，而發揮於事業，對儒家經典特別是《詩經》進行過比較完整的研究，成為萬曆以後幾十年間《詩經》文學研究的四大名家（孫鑛、徐光啟、戴君恩與鍾惺）之一。但是他後來沒有繼續在文學上任意消費他的天才，在筆墨應酬上也變得十分吝嗇。
職位閑散，但徐光啟並不閑散，繼《幾何原本》的翻譯後，他頭也不回地走上了一條並不為時人所看好，而且要付出比常人更多時間和精力的科技路。徐光啟把所有時間都用來進行天文、算法、農學、水利等科學技術研究，從事這方麵的翻譯和寫作。他在《致老親家書》中自述道：昨歲偶以多言之故，謬用曆法見推……惟欲遂以此畢力，並應酬文墨一切迸除矣。何者？今世作文集至千百萬言者非乏，而為我所為者無一有。曆雖無切於用，未必更無用於今之詩文也。況弟輩所為之曆算之學，漸次推廣，更有百千有用之學出焉。如今歲偶爾講求數種用水之法，試一為之，頗覺於民事為便……弟年來百端俱廢者，大半為此事所奪。其中的用水之法，指的是萬曆四十年（1612年）與傳教士熊三拔合譯的《泰西水法》，書中介紹了西洋的水利工程做法和各種水利機械。
在此期間，徐光啟與傳教士合作再次校訂了《幾何原本》並出版了第二版。同時他還為李之藻與利瑪竇合譯的介紹西方筆算數學的《同文算指》、熊三拔編著的介紹天文儀器的《簡平儀說》等書寫了序言，這些序言都表達了徐光啟對傳入的西方科技知識的看法。向傳教士學習科技知識的同時，徐光啟對他們的傳教活動也進行了協助，幫助他們刊刻宗教書籍，對傳教士的活動也有所庇護。