在郭守敬看来，以往测定天体的仪器浑仪有许多缺点：重叠的圆环把天空区域挡掉许多，使仪器的可测范围大大缩小；几个环上各有各的刻度，读数系统复杂，使用不便。于是，郭守敬进行了大胆的改革，摆脱原有环圈束缚，精简黄道坐标，把地平坐标和赤道坐标分为两个独立装置，仪器上刻度精细，最小分格由原来的1/12度改变为1/36度，使天体测量的精确度远超过前人。除了北极圈附近地区，绝大部分天空都可以窥测到。这一仪器，既精密又简单，故称为“简仪”。它实际上是世界上最早制成的大赤道仪，比丹麦天文学家第谷1589年装置的使用赤道坐标环组的仪器要早三百多年。

除简仪外，郭守敬先后创制了仰仪、圭表、景符、悬正仪、浑天象、窥几等一整套共二十种天文仪器。这些仪器机巧精密，远胜前人。同时，大一统的元朝也为他的工作提供了有利条件。他在全国设置二十六个观测所进行观测，这些观测点“东至高丽，西极滇池，南逾朱崖，北尽铁勒”，最北的一个设在北纬64°5′的地区，已接近北极圈。他亲临各地收集第一手数据。

郭守敬进行了一次恒星位置的测量，测出了前人未命名的恒星一千余颗，使测得的恒星数从一千四百六十四颗增到二千五百颗，并编制了星表。

他重新测定了黄道平面与赤道平面的交角，这是天文学上一个重要的基本常数，关系到各种计算结果的精确与否。自汉朝以来，人们一直认为这个交角是24度。而郭守敬却打破陈说，认是为23度90分（合今23°33′5″），与近代用天体力学公式计算出的数据误差仅1′36″。这是中国古代天文学中最精确的数值。

我国古代把黄道附近的星分为二十八宿，每一宿用一颗星作代表，称为“距星”。两距星间的距离为“距度”，古人用距星来测定星辰，因而测定二十八宿距度是非常重要的。郭守敬一次次精心测量，努力减少距度的误差，使其测定数的精密度比北宋崇宁年间（1102—1106年）的测定提高了整整一倍。

郭守敬经过二百余次晷影测量,定出1277—1280年的冬至时刻,再结合历史资料加以推测,得出一回归年的长度为365.2425日的结论。其精确度比地球环绕太阳一周的实际时间仅差二十六秒，与现今世界通行的格利哥里历的周期相同，但格利哥里历的颁行要比郭守敬得出上述结论的时间晚三百年。

至元十八年（1281年），郭守敬主持编写的新历《授时历》终于修成，当年即颁行天下。这是中国古代最优秀的一部历法，它节气推算精确，有利于农业生产，因而深受人们欢迎，朝鲜、越南等国也都曾采用。正如明末徐光启赞誉的：“郭守敬的历法，三百年来世所共推。”

郭守敬一生把全部精力用于科学事业，曾撰有天文历算方面的著作十四种，一百零六卷。绘制了许多河道水利的实测图，可惜没有流传下来。郭守敬作为十三世纪杰出的科学家，特别是在天文学方面的成就，是举世公认的。