晚明的上海，其地濒海，土壤膏腴，盛产棉稻，约有10万户人口。其中，居于城镇者达三四万户，城中又有近2000人专以棉纺织业为生。徐光启便出生于上海县城南太卿坊一个世代以农商为业的家庭。在徐光启出生前，其家乡遭受了东南沿海倭寇的大肆侵袭劫掠，以致原本殷实的徐家家道中落。即便如此，徐光启的父亲徐思诚依然豁达慷慨，乐善好施。遇有亲族邻里中贫寒老弱，不能自给衣食者，徐思诚往往以资财收养，供给衣食，甚至因周济贫困乡里而变卖家产也在所不惜。而后，因家境日益贫困，徐思诚在困顿中被迫经商一段时间后，终于因不愿汲汲于蝇头小利而放弃，后以课农学圃自给。
徐思诚年轻时曾投身抗倭战争，出入于危城之中，结识诸多名将奇士，于战术方略更是颇有心得。晚年的徐思诚，常与乡人声情并茂地讲述曾经光辉热血的抗倭岁月。他慷慨陈词，终日不倦，这些都对幼年的徐光启产生了潜移默化的深刻影响。此外，徐思诚于阴阳、医术、星相占候诸说颇有研究。光启受父亲的影响，虽然主修传统儒家经典，却也博览群书，对诸子杂家极有兴趣，尤其喜欢谈论兵家之道。
光启之母钱氏出身业儒之家，为人敦和孝谨。钱氏十分注重对子女的教育，训海有方。若是徐光启兄妹顽皮胡闹，钱氏并不重责打骂，只是神情严肃，持续数日不肯言笑。待孩子们意识到自己的错误，哭泣侍立在侧，诚恳认错，钱氏方露出和悦之态。光启父母对他寄予厚望，在光启8岁时便送他至县城的龙华寺读书。光启于诗书颇有天资，一次，他偶然路过邻塾，有塾师命题。塾师话音方落，光启随口即成文章，不假思索，令塾师大为惊叹。15岁时，光启外出求学，他聪敏好学，于章句、帖括、声律、书法均颇有造诣，臻于佳妙。
万历九年（1581），时年20岁的徐光启考中秀才，得以赴金山卫学宫中继续学习举业。但光启家境此时已颇为困窘，致使光启为补贴家用，于准备科考之外，在家乡设馆教学，成为一名私塾先生，以收得的馆谷之费自给。虽然迫于生计，但小小的学塾并未困住徐光启。在此期间，他依然心系时事，以天下为己任。在教书之余，徐光启也半工半读，在种田之外，他利用墙边地角的零散土地种植了不少柳树。不料有心栽花花不开，无心插柳柳成荫。光启种田所获收成虽然并不丰厚，但他栽种的柳树却能砍伐卖柴，换取不少柴薪，获利颇为可观。此时的光启，不仅工读相间，身体力行地从事农业劳作，也试图从中总结农业生产规律，这为光启提炼农业科技理论打下了不少实践基础，为他日后撰写《农政全书》提供了有利条件。
聪敏早慧、博学多识的徐光启于科举之路并不顺遂。在考中秀才后，光启曾多次参加乡试，以期中举，得以重振门第。然而，这种期望却一次又一次地落空。万历十五、十六年（1587、1588），光启的家乡接连遭受降雨、飓风、大旱、瘟疫等天灾人祸的侵扰。光启的小家庭也如覆巢之卵，原本并不宽裕的家境每况愈下。即便如此，光启的母亲依然于拮据清贫中供给家庭，支持光启继续参加科考。
令人沮丧的是，万历十六年的乡试，光启再一次名落孙山。光启返乡后，回想起此次艰辛的应试经历，路遇大雨，脚下湿滑，又时时刻刻冒着失足坠入江河湖荡的生命危险。如今榜上无名，辜负了亲友殷殷期许，自己也前途渺茫，心中不禁怅惘、失意非常。
在尚未中举的日子里，光启大多依赖设馆授徒维持生计。万历二十年（1592）五月，母亲钱氏病故于乡。时年31岁的光启因母丧而暂时中止了为期10余年的居乡教书生涯。一年后，有不少两广子弟仰慕光启声名，争相延请他入粤教书。光启考虑到家中贫困，又遭逢母丧，花费甚多，为生计应约，赴广东韶州教书。居粤教学期间，光启曾在闲暇之时偶然信步至韶州城西的天主教堂。此时利玛窦已北上传教，韶州教堂事宜由协助利玛窦传教的郭居静主持。徐光启与郭居静一见如故，相谈甚欢。光启对传教士口中的西方社会极感兴趣，仿佛打开了新世界的大门，仔细留意西洋世界的点点滴滴。
4年后，徐光启应乡中先达浔州知州赵凤宇之邀约，由韶州移馆至浔州授徒教书。韶州与浔州距离颇远，光启于移馆过程中，不免长途跋涉。其间所穿衣衫破败不堪，光启只得自觅针线，简单缝纫修补。虽然旅途漫漫，困顿非常，但光启也颇有所得。他俯仰于崇山峻岭之间，领略了祖国壮美的大好河山，眼界和心胸得以日渐开阔，文章也日益雄奇饱满。
万历二十五年（1597），36岁的徐光启由浔州北上，赴顺天府参加乡试。此次考试，焦竑、全天叙任主考官，张五典等任分考官。在距放榜仅有两日之时，几位考官依然尚未物色到足堪匹配第一名的试卷，焦竑为此心焦不已。张五典领命再度翻检落选考卷，反复物色，终于翻到光启的考卷，荐送至主考官焦竑处过目。焦竑阅后击节称赏，拍案叹道：“此人确为当世之大儒！”于是光启被定为当年顺天府乡试第一名。来年三月，光启应会试，再度落榜，便自京城返乡，依旧闭门读书，以开馆授徒为业。此间，光启并非仅仅修习应对科考举业的经书，也留心时事，通览载录古今政治得失之书。
而后，又过了七年，43岁的徐光启终于在万历三十二年（1604）考中进士。纵观光启自20岁考中秀才至中进士，共20余年光阴，除因奔波赴试，或亲友丧亡等事偶尔中断，绝大部分生涯均在设馆授徒下帷课读之中度过。万历二十七年，光启与程嘉燧共同设馆，二人与诸门生弟子共同读书山中。设馆授徒既是光启聊以谋生自给的重要方式，也使他在漫长的备考岁月里得到了不少慰藉，不失为一种恬淡豁达的人生选择。