崇祯二年五月初一（1629年6月21日）这天，京城出现了日食。负责观测天象的钦天监按旧的历法推算日食的时间，结果却与实际相差甚大，误差超过半个小时。在封建时代，日食被看成是国家兴衰治乱的征兆，受到高度关注。崇祯皇帝因为这次错误大为恼火，于是修改旧历的任务便被提到日程上来。
其实天文历算在我国有悠久的历史，我国的历法也一直处在世界历法的先进行列。尤其是元代郭守敬所制的《授时历》，是当时世界上最精确的一部历法，比同时期流行在欧洲的《儒略历》准确得多。明代的《大统历》就是在《授时历》的基础上沿袭下来的。但是经过了三百多年，这部历法一直没有修订过，自然出现了不少差错。而1582年的欧洲，已开始使用经科学家们修订过的新历——《格雷高里历》。这部历法吸收了很多科学成果，精密度很高，已超过了中国的历法。西方传教士来华时，也带来了一些关于天文历算的书籍，利玛窦等人在天文学上也很有造诣。徐光启在与他们的接触中，深深感到参照西方历法改革中国传统历法是十分必要的。这次修改旧历的任务便顺理成章地落在徐光启的肩上。
从崇祯二年（1629年）到崇祯六年（1633年）徐光启病逝，他最后几年的心血全部投在了历法的修订上。尽管已是近七十高龄的老人，但徐光启依旧保持着一丝不苟的工作精神和极端负责的工作态度。奉旨开设修历局之后，讲求实效的徐光启订立了修历的方针：用人必须是务实的，制造的器具必求能够实用，经费决不虚报冒领，时间不可虚度。修历局缺乏天文历法方面的人才，徐光启还大胆地用招聘的方法从社会上募集了一些有真才实学的人才。他要求修历局的工作人员要具备“基本五目”的才干，即“法原”“法数”“法算”“法器”“会通”。“法原”指对天文学基础理论的了解，“法数”指了解天文数据，“法算”指能用数学解决天文上的问题，“法器”指了解天文器材的性能和使用，“会通”则指能把中国传统天文学和西洋天文学融会贯通。徐光启规定，以上各项能精通一项者，就可每月发给禄米一石，银一两八钱，兼通数项的可酌量增加，但怠工者要给予惩罚。由于赏罚分明，用人得当，人尽其才，修历工作进展得很顺利。
崇祯修历工作，是继翻译《几何原本》后，中西科学家的又一次重要合作。徐光启的修历局集中了一些西方传教士中对天文学有高深研究的学者。他邀请了澳门的西方传教士邓玉函和龙华民来京协助修历。二人帮助徐光启翻译了一批西洋天文理论著作，并指导年轻的中国实习生编制各种天文用表，还教授工匠们制造出探测天体的大型仪器。在邓玉函病逝之后，徐光启又推荐了两名年轻的西方学者来到修历局，他们就是汤若望和罗雅谷，汤若望后来在清朝也发挥了促进中西交流的作用。
在修历过程中，徐光启十分重视实测的作用。他虽年近古稀，眼力和腿力已渐虚弱，但仍事必躬亲，日夜登台观测天象，以取得最准确可靠的数据。崇祯三年（1630年）严冬的一天，他在刺骨的寒风和漫天飞舞的雪花中登上观象台测验器具，不慎失足跌落台下，腰部和膝部都受了伤，不能行动。经过一段休养，虽然伤痛并未痊愈，可徐光启仍然迈着蹒跚的步伐，坚持到测候现场，有时到夜深了，他还和工作人员一起守候在仪器旁观测天象。他给皇帝的上书中说：“非臣目所亲见，实臣心所未安也。”徐光启的这种认真负责的工作态度，让身边人感动不已。明末学者、文学家张溥记述了徐光启对科学研究“老而弥笃，孜孜不倦”的感人情景。他在《农政全书》的序文中写道：“我出生已晚，但在崇祯四年春天，还是有幸获得了我的老师徐文定公的指教。当时我听说老师正在研究西方历学，就约了同学徐退谷一起前去请教。只见老师端坐在斗室之中，奋笔疾书。一丈见方的卧室内，只在床上铺了一条粗棉布的被子，连帐子都没有挂，这哪里像朝廷大臣的住处啊！居住条件之简陋，与贫寒的知识分子有什么区别呢？老师勤奋好学，冬天不烤火炉，夏天不用扇子，分秒必争，专心致志于治学。当年我亲眼看到老师仔细推算纬度，然后把计算结果用蝇头小楷，端端正正地记录下来，每天工作到半夜，方肯罢休。”徐光启对待科学研究的这种勤奋、刻苦和极端认真的精神，怎能不令人肃然起敬？
精密的天象观测资料，是推算准确的历法的基础；而对天象的观察，又必须借助于各种仪器，其中尤以天文望远镜为最。1608年，荷兰眼镜匠利伯休首次发明望远镜。第二年，意大利科学家伽利略在此基础上发明了天文望远镜。当徐光启通过西方传教士了解到这一科学新发明后，立刻带人仿制，并把制成品命名为“窥筩眼镜”。经验证，这种天文望远镜完全合格，能很清楚地观测到日月食的变化情况，比传统的肉眼观察或水盆映像法强得多。此时距西方初创望远镜仅二十年，可见徐光启吸收外来先进科学文明思路之敏锐。徐光启是我国第一个制造望远镜并应用于天文观测的人，这个功劳是不可磨灭的。
徐光启在修历过程中设立“官学生”制度。这些官学生又称为“博士”和“天文生”，是通过当助手而成长起来的实习生。徐光启还聘请了一些年轻老师为官学生讲课。徐光启在临终前，将这些后辈的名字一一列给皇帝，指出他们在制造仪器、测算、编历等工作上的功劳，为他们请赏。这些年轻的讲师和实习的官学生是一批懂得新历法的后备人才，为此后中国推广西方天文学知识开辟了道路，这是徐光启在我国天文学发展史上的又一贡献。
应该看到，这次修历的过程并不是一帆风顺的，其中存在着新旧两种思想的较量。有一位名叫冷守中的四川老秀才，头脑保守僵化，不相信西洋先进的历法思想，反对徐光启参照西法改历。他用迷信理论制订出一套历法，送到修历局，非说自己的才是最准确的历书，他还指责徐光启用西法修正《大统历》是违反祖宗、大逆不道的举动。徐光启对固执己见的冷守中没有采取压制的办法，而是据实说理，以理服人。他编写了一本题为《历学小辩》的小册子，指出冷守中所依据的方法不过是神秘的数学游戏，并无科学依据。冷守中仍然不服，徐光启便和他约定，两人一同推算崇祯四年四月十五日四川见日食的时刻。如果冷守中算对了而徐光启错了，那就证明冷的方法有理而徐的方法有误；如果冷守中算错了而徐光启算对了，那就该由冷守中认输。到实测的结果出来，冷守中果然错了，误差很大，而徐光启的推算准确无误，冷守中心服口服，收起了他那套理论。还有一位在当时较有名望的天文学家魏文魁，也极力反对徐光启的新法，并给修历局送来两套他自己按旧法编成的历书，要求朝廷使用。徐光启翻阅了他的历书，发现他的推算方法很陈旧，有很多谬误，就建议魏文魁再重新研究一次，同时表示对他“苦心历学”的敬佩，希望他能与自己合作。魏文魁不但不虚心吸取徐光启的意见，反而强词夺理地反驳徐光启，竭力阻挠徐光启对历法的改革。由于这些人的干扰，徐光启改修的《崇祯历法》在他去世后若干年才得以完稿。
崇祯五年（1632年）六月，徐光启被皇帝任命为礼部尚书，兼东阁大学士。东阁大学士是政府首辅，相当于宰相。当时人们把官员进入某阁当大学士叫做“入阁”，认为是相当值得羡慕的事。但徐光启对此安之若素，丝毫没有骄矜之情，而是依旧孜孜不倦地编撰他的大型历书。到崇祯六年（1633年）十月底，这部大型历书基本完成，徐光启感到自己已年过七十，精力衰退，而且入阁后事务繁重，恐怕没有太多精力照顾修历局的事，便向皇帝推荐一位可靠的接班人代替自己在修历局的工作。经过慎重考虑，徐光启向皇帝推荐了当时在山东任职的李天经，并在奏折中称赞李天经知识渊博，沉稳可靠，兼通天文数理，足以担任修历局的负责工作。
在递上奏折八天之后，徐光启病逝于京城。他生前主持修订的历书由李天经最后整理，定为四十五种一百三十七卷。这一套包括天文历法诸方面内容的大型历书，因为在崇祯年间修成，故命名为《崇祯历书》，并分五次向皇帝进呈审阅。但因为守旧派魏文魁等人的百般刁难，这部历书在当时并未得以颁布天下使用。后来，明朝被李自成所灭，这部历书就更顾不上刻印了。直到清朝入关之后的顺治三年（1645年），由投顺清朝的传教士汤若望在原书的基础上重新编制，由清朝公布施行，就成为当时称为《时宪书》的新历书，大体上仍是徐光启的科学成果。
科学家们认为，由徐光启主持编订的《崇祯历书》，是我国近三百年来天文历法科学发展的基础，它结束了郭守敬之后我国天文学近三百年的停滞落后状态，复兴了我国的天文学，而且培养了一大批天文学人才，为清朝天文学的发展储备了人才。
具体来说，《崇祯历书》的科学成就大致包括以下几个方面：第一，这次历法的修订采用了不少西方数学的新成就，把几何学的计算系统引入天文历法的运算，这里包括欧洲人第谷的天文观测数据——他被欧洲人称为“天文学之父”，这是当时人们所使用的最为精确的天文数据。第二，引进了西方先进的天文和地学科学观念。《崇祯历书》引进了“地球”的概念，认为地是圆球形的，而且确立了地理经纬度的概念，这使计算日食、月食的准确度比用旧法前进了一大步。第三，历书开始采用欧洲通行的度量单位，把周天分为360度，一日分为24小时96刻，并采用60进位制。这使东西方在立法运算上逐步靠拢，便于交流与发展。此外，《崇祯历书》还引进了西方历法的蒙气差校正和黄道坐标系统等，使这部历书在科学方法上向前跨了一大步。总的来说，《崇祯历书》的修订对中国天文学来说是一场深刻的变革，使中国古典式的天文学走上了与世界天文学同步发展的道路。
在修订历法的同时，徐光启还进行过其他一些很有价值的科学活动。崇祯二年（1629年），他主持了一次天文大地测量，这次测量的规模比唐代一行、元代郭守敬主持的测量规模要小一些，但这是一次引用西方先进科学测量方法的实测，这就使它具有了特殊的意义。此外，徐光启还在当时的条件下，主持绘制了一份最完备的星表和星图，后来称为“徐光启星图”，这是我国目前所见的最早包含南极天区在内的大型全天星图。徐光启还主持制造了多种仪器，包括当时最流行的望远镜、自鸣钟等，这些都是他对我国科学发展作出的杰出贡献！