创制仪器
我国古代以农为本，农事与历法密切相关。元朝初年，沿用金朝的重修《大明历》，误差日增，“前日中秋节，今霄月方圆”，尤其严重的是连农事活动所遵循的二十四节气的推算也失准，影响了农业生产，在人民生活中也造成了某些紊乱。为此，重新修改历法已是迫切需要的。
对历法的改革，刘秉忠曾上书忽必烈，只因当时元朝统一中国的战争尚在进行，难以实现。不久刘秉忠去世了。1276年，元军攻陷南宋国都临安，至此，长江南岸全部归顺元朝，天下一统。这时，忽必烈才采纳刘秉忠改制历书的建议，在北京设立太史局，由张文谦、张易牵头领导，王恂、郭守敬等具体负责新历的编算工作。
改历之初，郭守敬首先指出：“历之本在于测验，而测验之器莫先仪表”。他曾焚毁阴阳伪书，破除迷信，坚持科学态度，集中精力研制新的观测仪器，并本着简化、实用两条原则，在1276年—1279年间，先后研制出简仪、高表、候极仪、浑天象、仰仪等十八种天文仪器。《元史·天文志》称这些仪器“臻于精秒，卓见绝识，盖有古人所未及者”。其中最重要的是简仪和高表。
高表，是在我国传统八尺圭尺的基础上，增高5倍，又称四丈高表。河南登封告城镇的观星台，就是郭守敬亲自设计，主持建造的建筑式高表，它是用来观测日影长短，推算回归年长度和二十四节气时刻的天文观测仪器。简仪是一大创造，它是在我国传统观天仪器浑仪的基础上，创制的一种新型的观天仪器，在结构上属于赤道坐标系。
因此，郭守敬又是赤道装置的创始人。简仪比1598年丹麦天文学家第谷制造的同类仪器早300余年。明末来中国的德国传教士汤若望曾赞扬郭守敬为“中国的第谷”。另外，郭守敬还创制了玲珑仪、宝山漏、大明殿灯漏、屏风香漏、行漏等多件天文观测、计时仪器。
四海测验
为了提高新历法的精密程度，在仪器研制工作即将完成时，王恂、郭守敬联名上书忽必烈，提出重建司天台（即天文台）。忽必烈采纳了他们的意见，改太史局为太史院（即北京司天台）。大都司天台不仅建筑宏伟，设备完善，而且网罗人才众多，是当时世界上最大的天文台。
1279年，郭守敬又上书忽必烈，要求在全国建立天文观测站进行长期观测。上奏时间从早晨到傍晚，忽必烈细心倾听，兴致勃勃，十分赞赏。于是立即派十四名监候官，分几路出发，在“东至高丽（今朝鲜），西极滇池（今云南），南逾朱崖（今西沙附近），北尽铁勒（今俄罗斯的东西伯利亚）”的广大区域内，设立了二十七个测量所（即天文观测站），分别测量当地冬至和夏至日影长度、昼夜时刻数及北极出地高度。这就是著名的四海测验。郭守敬对这次观测进行了总体规划，合理布局，科学选择观测站的位置。他为了掌握第一手资料，跋涉千里，领导了大都——河南——南海方面的实施观测工作。通过长期的天文观测，得到了大量、精密的天体运行相关数据，为编制新历法创造了条件。
编制历法
编历工作从1276年开始，到1280年，经过了四年多时间完成。忽必烈取“敬授民时”之意，为新编历法赐名《授时历》。1281年正月初一，新历法正式在全国颁布实行。它虽然是多数人的集体创作，但郭守敬却是担任了主要的工作，起了决定的作用。
《授时历》有许多独到之处，它采用的一些数据，由实际观测得出，其精密程度，堪称当时世界之最。《元史》称：“郭守敬等遍考历书四十余家，昼夜测验，创立新法，参以古制，推算极为精密”。比如它测定一回归年长度为365.2425日，与现在通行的《格里历》（即公历）回归年数值一致，但《格里历》颁布于1582年，比《授时历》晚了301年。
郭守敬等人创立了相当球面三角公式的算法，用于计算天体的黄道坐标和赤道坐标及其相互换算；创立了三次差内插法，使天体位置算得更精确，比世界著名科学家牛顿提出的同类公式早396年。还废除了历代编算历书中的分数计算，采用百进位制，使计算工作大为简化。由于郭守敬等人的开创性工作，使得《授时历》成为我国古代最优秀的历法，它从元初一直使用到清初，长达364年之久，并且还传到朝鲜和日本等国。
大都治水
1291年，郭守敬年逾花甲，又转而从事水利建设。当时民间传说，滦河自开平至永平河段，泸沟河自麻峪至寻麻林河段，加以整治疏浚后，即可通行船只。元世祖一时不能决断，便委派太史令郭守敬去考察。郭守敬沿两河的新旧水道，仔细勘测后，认为，两条河道流域面积小，降雨量少，即使投入大量人力挖深河道，也会因缺乏水源，难以通行船只,建议元世祖忽必烈放弃这一计划。郭守敬的真知灼见，避免了一次劳民伤财的大浪费，元世祖深为赞赏。与此同时，郭守敬建议开挖北京至通县的运河，这样可把通过南北大运河从江浙运到通县的官粮，直接运到北京城。
以前，从通县到北京，全靠陆运，花费大量金银不说，而且一遇大雨陆运非常困难。牲畜死伤，不计其数。元世祖采纳郭守敬建议，令“当速行之”。经过两年挖凿，1293年，运河通航，长26公里。为了解决运河的水源问题，郭守敬不辞劳苦，走遍大都西北郊，查勘地形，寻找水源，选择路线，最后他选择了大都西北昌平神山脚下白浮、一亩等十多处泉水作为水源。为使泉水顺利引入大都城，他设计出一条沿西山山麓长达30公里的河渠，即著名的“白浮瓮山河”。
为防止引水东泄，郭守敬设计在河渠东岸修筑了一条大堤，史称“白浮堰”，这样将西山大部分地面水和地下水引入河渠。大致沿着50米等高线平稳顺利引入瓮山泊，再注入大都城内的积水潭。使南来的船只一路北上直达大都城内积水潭。运河开通后，元世祖从上都返回北京，见到积水潭上“舳舻蔽水”，盛况空前，十分高兴，欣然亲自赐名为“通惠河”。
著书立说
郭守敬博学多识，才华横溢。一生中，他不仅脚踏实地做了大量实际工作，并且还呕心沥血写了大量科学巨著。
1280年，在《授时历》刚刚编制完成，王恂去世。但历书编算公式、计算方法及其精化工作，还没有最后定稿。郭守敬随即竭尽全力，精心整理，编成了《推步》七卷、《立成》二卷、《历议拟稿》三卷、《转神选择》二卷、《上中下三历注式》十二卷等二十六卷天文著述。1286年，郭守敬继为太史令，仍埋头研究天文、整理资料，续著《仪象法式》二卷、《时候笺注》二卷、《修改源流》二卷、《二至晷景考》二十卷、《五星细行考》五十卷、《古今交食考》一卷、《新测二十八舍杂座诸星入宿去极》一卷、《新测无名诸星》一卷、《月离考》一卷等七十九卷。著书总共一百零五卷。当郭守敬把这些历稿上奏朝廷后，即被全部深藏于宫庭以内。由于封建社会的禁锢，可惜的是，致使这些灿烂的科学文化大多失传了。但郭守敬孜孜不倦，勤奋好学的精神却永远流传民间。
1316年，为祖国的科学事业辛劳了大半生的郭守敬去世了，享年八十六岁。他的遗体归葬故乡邢台。邢台城西北三十里，曾有郭守敬墓。郭守敬的一生，是勇于探索，在科学事业上不断做出贡献的一生。他的辉煌成就，将永远为我中华民族所骄傲；他那科学精神将永远激励后人。
