元朝的《授時歷》是中國古代最優秀的歷法，也是行用時間最長的歷法。過去，蒙古一直使用的歷法誤差很大，連農業上常常使用的節氣也算不準。元朝征服江南以后，南北歷法不一樣，更容易造成紊亂。于是，元世祖決定統一制訂一個新歷法。他下令成立了一個編訂歷法的機構，任命郭守敬主管編訂歷法的工作。

編訂歷法工作一開始，郭守敬就提出：研究歷法先要重視觀測，而觀測必須依靠儀表。可是已有的一架觀察天象的大型渾天儀，已經陳舊不堪，得不到可靠的數據，于是郭守敬重新設計了一套新的儀器。他覺得原來的渾天儀結構復雜，使用不方便，就創制了一種結構比較簡單、刻度精密的簡儀。他制作的儀器，精巧和準確程度都比舊的儀器高出很多。有了好的儀器，還要進行精確的實地觀測。公元1279年，郭守敬在向元世祖報告的時候，提出建造一座新的司天臺，同時在全國范圍進行大規模的天文測量的建議。這個大膽的計劃馬上得到了元世祖的批準。

根據郭守敬的研究，朝廷在全國各地設立了27個觀測點，選派了14個監候官員分別到各地進行觀測。郭守敬也親自帶人到幾個重要的觀測點去觀測。各地的觀測點把得到的數據全部匯總到朝廷。郭守敬根據大量數據，花了兩年的時間，編出了一部新的歷法，叫《授時歷》。這種新歷法，比舊歷法精確得多。它算出一年有365.2425天，同地球繞太陽一周的真實時間只相差26秒。這部歷法同現在通行的公歷一年的周期相同。而且郭守敬的《授時歷》，比歐洲人確立公歷的時間要早302年。

另外，《授時歷》中為了對太陽、月亮的不均勻運動進行改正，還創造了新的計算方法。