统一华夏大地后使用的历法是《大明历》。可《大明历》已经用了700多年了，误差很大，这就促使元朝政府要组编一套新的历法。南宋灭亡后，开始进行这项工作。1276年，郭守敬被调到太史局，和王恂一起负责编制新历。
修历的过程中，郭守敬十分注重实践，他提出了：“历之本在于测验，而测验之器莫先于仪表。”所以，郭守敬首先集中精力对旧有的仪器做了仔细检查，后和工匠一起，研制了近20种新的天文仪器，其中最主要的有简仪、仰仪、圭表以及和它配合使用的景符等仪表。
“简仪”是郭守敬对天文学的一大贡献。他在浑天仪的基础上，针对浑天仪存在的缺点进行了革新改造。经他改造后做出的天文仪器，再不会发生因为圆环数过多 而遮掩尾体的现象，所测得的二十八宿星距的位置也更加准确了。由于这一仪器既精确又简单，故也称其为“简仪”。简仪的结构与现代的“天图式望远镜”基本上 是一致的，被后人誉为“臻于精妙”的天文仪器。在欧洲，像这样结构的天文仪器，直到18世纪才从英国流传开来。
郭守敬制作的这些仪器都有实用、简便、灵巧、精确的特点。这就为他制作精确的历法提供了必要的物质条件。郭守敬等人根据大量观测资料，仔细研究了自西汉以来的七十种历法，经过精密的测算后终于编制出了新历法——《授时历》。
《授时历》以365.2425天作为一回归年，如果以小时计算，是365天5小时49分12秒，比地球绕太阳公转一周的实际时间只差26秒，经过 3320年后才相差一日，跟目前国际通用的公历完全相同。1670年，英国天文学家格列高里才对招差术作了在欧洲的首次发表，而《授时历》应用招差术推算 太阳、月亮以及五星逐日运行的情况，早于欧洲400年。总之，《授时历》是当时的一部先进的历法书。1281年起，《授时历》开始在全国颁布实行，使用时 间长达363年，是中国古代的一部精密历法。
郭守敬在水利工程上也取得了突出的成就。1260年，郭守敬奉忽必烈之命巡视大名（今河 北省西南部和河南省东北部地区），负责水利建设。郭守敬利用业余时间带着工匠，亲自动手仿制了一台铜质的莲花漏。他将莲花漏献给了忽必烈，同时提出了六条 建设水利工程的建议。于是忽必烈让他负责各路河渠的整修管理事务。1264年，郭守敬随张文谦先后到达陕西、甘肃、宁夏等地区，修复了唐来、汉延两条古 渠。1275年，郭守敬又奉命勘测黄淮平原地形和通航水路，同时建立了水上交通站。在方圆几百里内进行了地形测绘和水利规划工作，他对于何地可以分流控制 水势，何处可以灌溉农田，都进行了详细说明，并画成了地图。绘图过程中，他以海平面作为标准，初步运用地理学和测量学中的重要概念——“海拔”。
郭守敬在水利方面的最大贡献是开凿从大都到通州段的运河——“通惠河”。1291年，郭守敬提出了兴修大都运粮河等十一条水利建议。得到批准后，郭守敬 于第二年以太史令兼领都水监事，主持了这项工作。“通惠河”长160里，仅用一年半就全部完工，京杭大运河至此全部完成，从南方驶来的运粮船可以直达北京 了。
可以说，郭守敬是13世纪世界上最杰出的科学家之一，他在天文学、水利工程、地理学、数学和机械工程等方面在当时都是首屈一指。
