徐光启入阁为相的时间非常短暂，仅一年零几个月，其中还有好几个月身处病中。这一年多，徐光启也曾一度有过大展雄图的想法。比如崇祯六年（1633年）初的一天，崇祯皇帝和他说起准备让他以首相的名义到前线巡边，指挥战斗。他从朝中归来后喜形于色，一夜都没睡好，希望能在北边疆场大显身手。但是，在为相的大部分时间里，徐光启的内心是痛苦的，常常吟诵“一人计不用，万里空萧条”的唐人诗句以自遣。此时朝中一批奸臣当道，对他处处掣肘，许多朝臣又都只求自保，不愿为国分忧，自己的正确主张反而得不到施行，国势日见衰败。另一方面，他的同道好友又一个个先他而去，使徐光启倍感寂寞，因此，他的阁老生涯在政治上经常是消沉的。
崇祯六年（1633年）三月，年已72岁的徐光启多年的脾胃宿疾突然加重，接连数天不能进食，一吃就呕吐，浑身疼痛，严重时还会昏厥。这使他深感自己的健康状况已无法坚持工作，就向皇帝请病假在家调理，一直到四月才回阁视事。这年十月，徐光启感到自己实在是病体难支，又一次上疏乞休。在生命的最后关头，徐光启仍坚持工作，尽力整理历书的最后书稿。十月三十一日，徐光启向皇帝上疏，预报第二年三月十四日将出现月食，详细禀报了月食的时间和起复方位，还详细汇报了历书的编写进展情况。十一月七日，徐光启自感病情更加严重，写信让儿子徐骥速来京城，又上疏给皇帝，保举了修历有功人员，恳请皇帝给予奖赏。他特别提到了传教士罗雅谷和汤若望，希望皇帝给予嘉赏，并赐给他们田宅，使他们有足够的经济能力能安心地为明政府工作。徐光启上疏向崇祯皇帝报账，交代了修历的花费和物资的账目结算情况。他又告诫在身边侍奉他的孙子徐尔爵，让孙子尽快抄录《农政全书》，以便向皇帝进呈，完成自己的志向。徐光启的儿子徐骥追记父亲的临终遗言时说，父亲“临没了了，只以国家多故为念，一语不及于私”。就在这一天，崇祯六年十月初七（1633年11月8日），徐光启带着未完成的心愿和对国事的满腹忧虑，溘然长逝。
徐光启去世的消息很快传到宫内，崇祯皇帝对这位肱骨老臣的离去深感悲痛，宣布辍朝三天以示哀悼，追赠徐光启为“少保”，赠谥号为“文定”。朝野上下，许多人见到讣告，都失声痛哭。徐光启逝世后，人们清理他的遗物，发现在他简陋的斗室里，仅有一只陈旧的木箱。打开箱子一看，里面有几件破旧的衣服和一两银子，此外，便是大量的著作手稿。徐光启的床上放着一只冬天用来取暖的汤壶子，年头长久，已经有了渗漏，以致破旧不堪的棉被漏下一个破洞。大臣们不禁感慨：“古来辅政大臣，廉洁如此，只有徐公，别人谁也比不上！”有些正义的大臣将徐光启“盖棺之日，囊无余资”的生活境况向崇祯皇帝作了汇报，请求朝廷给予其优厚的抚恤，以使那些贪污受贿者闻之惭愧。崇祯皇帝当即派内官赏赐给徐家办丧事所用物品及治丧银两等，又特派礼部尚书李康主持丧礼，并设专人护丧回到上海。
崇祯七年（1634年）年初，徐光启的儿子徐骥扶柩南归，将父亲的灵柩暂厝于上海县城南门外的双园别墅。到了崇祯十四年（1641年），家人将徐光启安葬于上海县城西门外十余里的土山湾西北，即现在徐家汇的徐光启墓地。因为徐光启曾做过明朝的“阁老”，所以他的墓又称为“阁老坟”。墓前有石人石马、华表牌坊。光绪二十九年（1903年），徐光启墓重加修葺，焕然一新。墓前石坊上的匾额曰“文武元勋”；两边的对联是：“治历明农百世师，经天纬地；出将入相一个臣，奋武揆文。”
这副对联实在是对徐光启一生事业的恰如其分的概括。徐光启是明代后期“实学”思潮的倡导者。他旗帜鲜明地提倡经世致用，开一代风气之先。在反对王阳明心学的“空疏”，主张回到“经世致用”的朴学方面，徐光启可以说是先行者。顾炎武、黄宗羲、王夫之等明末著名思想家主张经世致用，常被人们称道，但开风气之先的还是徐光启。从明末复社的张溥、陈子龙到明清之际的一些启蒙思想家的进步思想中，我们可以清楚地看到徐光启对他们不同程度的影响。徐光启提倡实学，提倡经世致用，积极介绍西方科学知识，在扭转明末的“空疏”文风和学风方面，有不可磨灭的贡献。
徐光启是明代中国向西方追求科学和真理的先行者，是明末沟通中西方文化交流的第一个重要人物。他生活的时代，是东西方科学文化发展竞赛的重要时刻。徐光启第一个意识到中国在科学技术的许多方面已经落后，他面对西方的挑战，响亮地提出了学习西方、赶超西方的主张，在宣传和介绍西方先进科学技术方面，徐光启有披荆斩棘的开创之功。徐光启忧国忧民、改变祖国积贫积弱面貌的强烈愿望，驱使他坚持不懈，刻意追求。他好学不倦，即使身任宰辅，年逾古稀，仍然“目不停览，手不停笔”。为了中华民族的兴盛，为了科学文化的发展，徐光启毫无保留地贡献了自己的一生，成为那个时代的杰出人物。
对于西方传教士，徐光启看重的是他们有“种种有用之学”。由于时代的局限，徐光启对西方殖民主义者的本质还不可能有深刻认识。但他在竭尽全力宣传西方科学技术的同时，还保持着对西方殖民主义者入侵的应有警惕。当荷兰人侵占台湾，久留不去，继而又想占据澎湖列岛等地时，徐光启深以为忧，认为西方殖民主义者的入侵，才是对朝廷统治真正的威胁。这种认识是很有见地的。
徐光启不仅忠于国事，勤于钻研，在日常处事中，他也表现出高尚的人格。徐光启是一个孝子，对待父亲徐思诚一直很体贴孝顺。他从小就跟随父亲劳动，帮助父亲料理瓜田、菜地、果园的农活。自己考中进士留在翰林院后，就把老父亲接到京城的宅邸中同住，“备极孝养”，早晚请安，冬冷夏热时分照顾周到，老父亲生活所需，不等提出要求早就预先备好，使父亲在生活上尽可能的舒适满意。徐光启对早逝的祖母、母亲同样极具孝心，一直很怀念她们，后来，他为自己的祖父、祖母、父亲、母亲各写了一份传记，以示追念。徐光启不仅是个温和的丈夫也是位慈爱的父亲，但他对自己和家人在生活上的要求很严格。有一次，11岁的独生子徐骥从一家富民门口走过，看到这家人非常吝啬，居然以麦屑煮粥。徐骥回家后向父亲谈到此事，拍掌大笑，嘲讽他们太寒酸。徐光启见儿子以口腹之欲讥笑他人，很是愤怒，痛斥儿子，自己还为之停食。儿子很惶恐，赶紧认错，还找来亲戚说情让父亲息怒。从此，徐骥再也不敢放肆讥笑别人了。徐光启当上翰林后，有一年过年那天早起，发现丢了一只袜带，他没声张，随便找了一根破布条系上。过了一个多月，夫人吴氏方才发现，便笑着对徐光启说：“都是当了翰林的人了，再穷也不能连一条袜带也买不起啊，外人不知情者必然以为你故意矫饰。”徐光启对夫人说：“凡事无大小，都不可能没有缺陷，这样才符合天意。我如今穿得很好，冷热各有所防，只有这一袜带算是一处不当。我以为这正是自得其乐，怎么能说是矫饰呢？”徐光启在京城时，还常常写信给上海的亲属，告诉他们绝不可因为他在京城当了大官，就在家乡为非作歹，“约束家人及亲戚，不可多事。以前受亏处，也不必称说报复等语，但以安静为生”。
徐光启对朋友从来都是满腔热忱，尤其对受难的亲友，常常以关怀为主，比往常更显亲密，必要时还仗义执言。焦竑是他的知心导师，但后来官运不佳，一直受到恶人排挤。但不论遇到什么情况，徐光启始终都把焦竑当做可敬的长辈看待，决不因政治上的一时浮沉而与之疏远。徐光启的一位姑父俞显卿，比他早中进士，曾官至兵部郎中，但后来为权臣陷害，罢职回乡。徐光启对他一直保持敬意，在为他写的《俞子如先生像赞》中称赞他：“贞心劲气，独留天地之间。”万历四十四年（1616年），由于保守派的诬陷，朝廷兴起“南京教案”，一批西洋传教士受到迫害，有的受到严刑拷打，有的被驱逐出境。徐光启这时挺身而出，仗义执言，为传教士们辩白，向朝廷担保，这些传教士绝不是歹徒。他还救援了一批传教士，让他们躲到上海自己的家中避难。诸如此类好义之事，使徐光启在亲友中的威望越来越高，也日益受到知识界的尊重，大家都认为他是一位长者。
后人为了纪念徐光启，在他的故乡上海修建了许多以他命名的建筑物。人们把徐光启当年住宅旁的一条马路叫做“光启路”，把他住宅的一部分建成徐光启的住宅遗址和徐光启祠。祠的东厅是家族宗祠，纪念徐氏列祖列宗，西厅是纪念徐光启的专祠，门匾上有“明相国徐文定公祠”的字样。祠内有徐光启的塑像，还有皇帝赐予的“王佐儒宗”的匾额。“王佐”是指他曾位至宰辅，是皇帝的辅佐；“儒宗”是指他的学术地位，是天下儒生的宗师。1983年，上海市人民政府在他逝世350周年时，重新修葺了徐光启墓，并在墓前树立了徐光启雕像。1984年，上海市把位于徐光启墓地的南丹公园改名为光启公园，供国内外人士凭吊。徐家的名为“后乐堂”的农庄别墅，在崇祯年间曾悬挂过皇帝钦赐的“儒宗人表”“文武元勋”两块匾额，早在清朝时就建为天主教堂，这就是如今耸立在上海市西南角的著名的徐家汇天主教堂。
徐光启生前，写有一首题为《题岁寒松柏图》的诗。在诗中，他把桃花与松柏作了对比：桃花艳丽，然而“天风吹严寒，零落一朝空”；而“郁郁松与柏，贞心独凌冬”。坚贞的松柏，几经风霜严寒，却是：“黛色欲参天，幹石枯青铜。幽志自畴昔，持此谐清风。”这正是徐光启高尚品格的生动写照。
一代宗师，风范长存。徐光启这样一位在中国历史上起过进步作用的爱国大科学家，将会永远为人民尊敬和纪念！