利瑪竇給這位好學之士留下的印象確實是深刻的，而且久久未能散去。據傳教士柏應理記述，徐光啟初次見到利瑪竇後，歸來做了一個怪夢，“見一圓堂中，設有三台，一有像，二無像，既醒，不識何解，大以為異”柏應理《徐光啟行略》，載《徐文定公逝世三百年紀念文彙編》。
1603年秋季，徐光啟懷著對利瑪竇的舊情再次來到金陵古城，但此時利瑪竇已在北京傳教三年了。在南京主持教務的是郭居靜和羅如望兩位傳教士。出堂迎接徐光啟的是羅如望。據柏應理記述說：羅氏引徐光啟瞻拜天主像，向他講述天主三位一體的教理，並指著畫像說這便是三位一體中的第二位（聖子）降生為人之像，徐光啟忽然回憶起三年前的那個怪夢，驚疑不止柏應理《徐光啟行略》，載《徐文定公逝世三百年紀念文彙編》。羅氏還送給徐光啟《天主實義》、《天主教要》等書，讓他閱讀。據說徐光啟拿著這些書，回到住處，“於邸中讀之，達旦不寐，立誌受教”，並連日去教堂觀察教禮，學習教義，聆聽羅氏講解摩西十誡之理，然後接受羅如望的洗禮，成為有舉人功名的天主教徒，教名為“保祿”，領洗後即回上海。
據柏應理記述，徐光啟因隻有一子，準備納妾廣嗣。這自然是天主教不允許的。羅如望勸告他說，有沒有兒子，都出於天主的安排，況且你已有兒子，以後繁盛，孫兒滿堂，也是可能的。等徐光啟受洗入教回上海後，果然得一男孫。據說徐光啟異常高興，連連向天主稱謝。
又據柏應理記述說，徐光啟的父親在北京逝世後，他“扶柩歸葬”，剛下船，家裏人還有的在房裏，忽然大雨如注，廬舍被淹沒，徐光啟伴柩安坐舟中，全然無恙，人們都說徐光啟的至孝感動了天主，天主在默默保佑他。
柏應理還繪聲繪色地描述了徐光啟和他的夫人死後一同升天。傳教士的這些描述自然是利用徐光啟的聲譽，傳揚天主教，其用心良苦，但給人的印象是，徐光啟似乎一開始便深受異夢的啟發，接受了三位一體之類的所謂啟示真理；至於後麵描述的徐光啟入教後立即添孫、逢凶化吉等奇跡的發生，自然是向新的福音聽眾許下的諾言，卻不自覺地將徐光啟的宗教信仰降到一種迷信的水平。
不過，傳教士們的誇張性渲染並未將徐光啟受洗入教與他次年成進士必然地聯係起來，這倒從側麵表明徐光啟入教絕不是人生坎坷之士謀求安慰和祝福的權宜之計。
1604年3月9日，徐光啟開始在北京參加會試。4月13日發榜，徐光啟以第八十八名列入是年的三百一十一名進士之中，並隨即被派往都察院觀政。他的老師黃體仁也與徐光啟同科成進士，黃氏這時已是六十三歲的一介老翁。據《上海縣誌》記載，黃體仁成進士後，住在李廷機家裏，李氏勸他試考翰林院館職，黃體仁感歎道：我老啦，不足辱忝此職。我的學生中有個叫徐光啟的，是位博學有用的賢才，請讓他去應考吧。徐光啟因這位老師的推薦而進入翰林院，考選為翰林院庶吉士。
無論如何，萬曆三十一年、三十二年（即1603、1604）都可以說是徐光啟一生中最重要的轉折點。1603年他受洗成為天主教徒，此後得以與利瑪竇等傳教士過從甚密。1604年，他成為進士，生活有了保障，社會地位得到提高，這為他日後的政治、學術生涯提供了有利條件，使他得以在較優裕的生活環境中，站在中西文化的交彙點上，從事一番前所未有的文化偉業。年過四十的徐光啟在成進士前，主要精力都耗費在教書謀生、謀取科舉功名及傳統的章句之學上，所做科學工作很少，學術著作也很少，隻是在萬曆三十一年曾向上海知縣劉一呈交過一篇關於水利工程的短文，即《量算河工及測量地勢法》，文中尚未涉及到西洋科學。因此，客觀事實表明，徐光啟的主要科學貢獻都成就於他與利瑪竇等人有了思想上的實質性交流之後。