为了让郭守敬得到更好的教育，祖父把他送到精通天文和经学的刘秉忠门下，郭守敬不仅在那里学到了更多的天文学和经学知识，还结识了后来同样成为科学家的王恂。后经刘秉忠挚友张文谦推荐，郭守敬被元世祖任命掌管各地河渠的整修和管理工作，一年之后又被升任为银符副河渠使、都水少监、都水监、工部郎中等职，在任期间颇有政绩。
1276年，忽必烈决定重修历法，张文谦为最高领导，精通天文、数学的王恂则负责具体工作。王恂首先想到了郭守敬，于是把他从水利部门调来参加修历。中国的天文学以历法和天象观测为主，历法又是天文学的中心，包括计算二十四节气、日食月食的推测、流行彗星的观测、日历的编撰等很多方面。要使编撰出的历法准确精密，就需要在天象的观测中有科学的观察方法和记录方法，还要有先进的观测仪器。
郭守敬组织人们进行了浩大的观测工作。他在全国设立了二十七个观测点，测量地理纬度、昼夜的长短，对以往的天文数据进行核查，并以这些为前提开始编撰《授时历》。
郭守敬认为，“历之本在于测验，而测验之器莫先仪表”，于是他在前人的基础上改良和发明了很多新的仪器，如浑天象、玲珑仪、简仪、仰仪、高表、景符、正方案和玲珑仪等，并科学地测定出回归年长度为365.2425日，与现今通行的公历值完全一致。并且，《授时历》摒弃了中国使用了上千年的上元积年，取消了日法的分数表达式，保证了天文学数字的精确。
《授时历》在计算方法上也更加精确，郭守敬在前人刘焯的基础上改变了以往的二次差内插法而采用三次差内插法来计算太阳和月亮的运行规律。他还利用弧矢割圆术来计算黄道和赤道的坐标，测定了黄赤交角新值，误差仅一度多。
除《授时历》外，郭守敬还著有《推步》、《仪象法式》、《上中下三历注式》等天文学著作。为了纪念这位伟大的科学家，国际天文学联合会将美国在月球上发现的环形山命名为“郭守敬山”，中国也将编号为2012号的小行星命名为“郭守敬小行星”。
【简仪】“简仪”是由元朝的郭守敬发明的一种天文观测量仪，用以测量天体的位置，因其由浑天仪改造而来故称“简仪”。“简仪”由赤道环和赤道双环组成，在赤道双环中间装有馈管，整个装置固定在正南北方向的金属轴上，除北极星附近，整个天空都能尽收眼底。直到1589年，丹麦人第谷才发明了类似的仪器。
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