创制新天文仪器、建立上都司天台以及进行“四海测验”，需要投入大量的人力和财力。忽必烈做出如此巨大的投入，其最终目的，就是要求编出一部精确的历法供他颁行全国，以显示他所开创的元朝帝业的稳定和繁荣。编历工作具体负责是王恂和郭守敬两人，王恂擅长数学，故侧重于负责历法推算；郭守敬则主要负责研制新仪器和天象的观测和历法基本数据的校验。制历工作还有两位很重要的顾问，一位是已告老还乡的许衡，一位是后来邀请来的深明历理的杨恭懿。此外还调集了原先在南宋王朝从事天文历法工作的官员和民间通晓天文历数的人士，组成了一个强有力的班子。这个班子首先认真“遍考自汉以来历书四十余家”，总结以往的历法，接着又以新创制的仪器进行天象实测，重新测定新历法的各种基本参数，然后在此基础上编制出新历，此历取《尚书·尧典》中的“敬授民时”一语，将它定名为《授时历》。至元十七年（1280）十一月二十六日甲子日，忽必烈下诏正式颁布《授时历》，并规定从至元十八年（1281）正月一日起在全国实行。
《授时历》是在大量天文实测工作基础上制定出来的，它废除了以往历法中一些繁琐的运算方法，还创造性地采用一些新的数学运算来完成一些复杂的计算，因此该历法十分精确。例如它所取的回归年长度为365．2425日，此值与格里历（即现行公历）所采用的回归年长度值相同，但却比格里历的颁布（1528年）整整早了300年。
《授时历》的正确性也可从另一方面看出。该历从元初到元末共行用了88年。明朝洪武元年（1368）改颁《大统历》，但一切天文数据和推算方法都沿袭《授时历》，实际上是《授时历》的继续施行，其原因是明初的历算家们认为它当时还相当正确，无法作出改进，因此只有改头换面、换个名字来应付明太祖朱元璋。在整个明代，《大统历》的实行未发现明显的失误，足见《授时历》编订时精度之高。如果把《授时历》和《大统历》看成一种历法，《授时历》从元初到明末，共行用了363年之久，是我国历史上实行最长的历法。
在《授时历》颁行之年，该历法的初稿虽已完成，但许多工作还有待继续进行下去。然而人事倥偬，发生了许多变化：年已70多岁的许衡辛勤工作了4年，生起病来了，退休回家乡了；杨恭懿本来就不想做官，也告辞返归故里，此后再也不肯出仕；王恂因家父亡故回原籍守丧，不幸因哀伤过度竟在47岁英年早逝。于是剩下的大量工作就全落到郭守敬的身上。郭守敬整理资料、总结经验，编写成书，四五年中共写就有关《授时历》的专著10多种，计约100卷之多。至元二十三年（1286），郭守敬被任命为太史令，时年他已56岁，他将编纂好的各种著作一一进呈忽必烈。但由于元代三令五申，禁止民间私习天文和历法，私习者甚至收藏有关图书者均要被判罪。因此这些书稿根本不可能出版，而由皇家专门收藏，后来在封建社会频繁的战乱中变得踪影全无。其中只有绝少部分因被收入《元史》、《历志》等书中而得以保存下来，此外只有从明代的《大统历》来了解《授时历》的基本面貌了。
灯漏与治水
忽必烈在他登上元朝开国皇帝的前期，采取了不少措施发展经济，治国有方，显得生机勃勃。但到了后期，任用酷吏执掌朝廷大权，专事横征暴敛，搞得民不聊生，其统治就逐渐走下坡路了。在这种情况下，郭守敬所领导的太史院当然也难有大作为，只是奉行逐年编出民用历书和完成日常观测的例行公事而已。
在忽必烈在位的晚期，郭守敬做的一项重要工作是研制了“七宝灯漏”。它实际上是一架原动力为水力的较精密的机械时钟，由于它十分精致，而且又比欧洲第一台机械时钟早一个世纪诞生，因而在科学史上有一定地位。七宝灯漏总体的高度为一丈七尺，其主体是一个大灯球，分成四层运转不息。最高的一层四方环绕着代表日、月、参宿、心宿的所谓“四神”，它们每天自东向西转动一周，以表示天体在作周日运动；第二层四周刻有每日一百刻的度数，又团团排列着代表十二时辰的“十二神”，每神手中各执一块不同的时辰牌，按时轮流出现在正门处，以报告时辰，另外还有一木人立在门口，一直用手指明着刻数，这样由这一层的指示物，何时何刻一看便知；第三层按东、北、西、南方向依次布置苍龙、龟蛇、白虎、朱鸟，即代表二十八宿的四象的造型，它们能按一定时刻跳跃、舞蹈和鸣叫。最下面的一层四角是各执乐器的木人，随各个时辰的不同时段，或鸣钟、或打鼓、或敲锣、或击铙钹。七宝灯漏的动力装置是一组水力机械，用水车注水入水壶，再送到特殊的漏壶中，该漏壶的出水量相当大而且出水稳定，水流冲击枢轮使之运转。枢轮旁装有一整套轮轴装置，利用凸轮机构、齿轮系统和轮轴传动装置最后带动各层不同的物象运动，机械传动装置内还装有控制齿轮运动速度的擒纵器，以使走速均匀、计时准确。七宝灯漏外部点缀着各种珠宝与金银饰物，华丽非凡。郭守敬将这座七宝灯漏献给忽必烈，忽必烈十分高兴，将它置放在皇宫正殿大明殿上，故又称“大明殿灯漏”。
至元中期以后，大都每年消耗的粮食激增，但来自南方的一船船粮食，由水路只能运送到大都东南方40多里的通州，无法直达大都。前文提出，至元三年，郭守敬曾主持完成了引卢沟河为水源的连通大都与通州之间的运河工程，但卢沟河夹带泥沙太多，为不使泥沙沉积，抬高河床，运河上不能建闸坝，水速无法得到减缓，湍急的水流使粮船无法从通州逆流而上到达大都。
至元二十八年（1291），在事先做了充分考察的基础上，郭守敬向忽必烈提出一个新方案，改引大都之北神山脚下白浮泉泉水为水源，先引进上都，蓄入积水潭中，再从积水潭引水南流，进入大都与通州间的运河中，这样可以解决通州与大都间的粮食运输问题。
至元二十九年（1292），忽必烈下令开始这项治水工程，他除让郭守敬任太史令原职外，再兼职主管都水监事务，并总体负责这项工程。治水工程开工那天，忽必烈下令自丞相以下的所有百官都得到工地参加劳动，以示倡导。这项工程从神山到通州全长160多里，于至元三十年（1293）完工，并由忽必烈将它命名为通惠河，从此通州与大都间的水路运输问题终于得到了解决。
在这项工程中，郭守敬再次显示出他的聪明才智。其一，从神山引白浮泉到大都，是沿一条先向西、再向南然后再向东的一条弧形线行进的，在这条路线上地形大体上从海拔60米到40多米逐渐下降的，如果从白浮泉直接向南奔大都，中途有海拔低于40米的河谷地带，水位下降了再上升就困难了，这说明郭守敬对这一带的地形和海拔高度有相当深入的研究。其二，从大都到通州，海拔下降了约20米，但由于这次引的是白浮泉，清澈见底，没有什么泥沙，所以可以建闸坝来缓和水势，不会因泥沙淤积而抬高河床。由于水势较缓，大粮船也就可以航行了。其三，为减缓水势，郭守敬在整段通惠河上设置了20多处闸坝，闸坝上有闸门，距闸门不太远处又加设斗门，闸坝和斗门上都有放船进出的通道口，口上装有能上下升降的启闭设施。一启一闭，两相配合，调整中间部分水位，便可放行船只。
由于郭守敬在天文历法和河工水利上的巨大业绩，至元三十一年（1294），忽必烈升任他为昭文馆大学士，这是元代带荣誉性的级别较高的虚衔，他的实际官职是知太史院事，主管太史院的天文历法工作。同年晚些时候，年已80高龄的忽必烈驾崩，其孙铁穆耳继位，为元成宗。
在元成宗继位那年，郭守敬已65岁。此后他又在元武宗和元仁宗执政下为官。在他暮年的20多年中，皇室挥霍无度，国库空虚，再也没有多少财力投入到天文工作和水利建设中，再加他年事已高，精力已衰，但皇帝又不准他退休，所以他只能安于其望重而位尊的生活，难有多少作为了。元仁宗延佑三年（1316），郭守敬去世，归葬于其家乡邢台。
郭守敬毕生重视实践，在实践中他既善于吸取前人的经验和长处，同时又不墨守成规，而是敢于创新、善于创新。这是郭守敬一生取得如此卓越成就的最重要的原因。
明末来华的德国传教士汤若望曾推崇郭守敬是“中国的第谷”。
郭守敬和第谷都是卓越的天文仪器制造专家和观测天文学大师，他们的天文观测精度都已接近甚至达到使用古代天文仪器所能获得的极限精度。第谷提出了第谷宇宙体系，而郭守敬则编制了当时世界上最精确的历法——《授时历》；第谷同时是星占家，而郭守敬则兼有比星占更实在得多的专长，他是著名的治水专家。对比之下，郭守敬确实不比第谷有什么逊色之处。然而，郭守敬比第谷要早三百多年。因此，有人认为，也许应该把第谷誉为“欧洲的郭守敬”更恰当些。
为纪念郭守敬的卓越贡献，月球背面一座位置为〔134°W，8°N〕的环形山被命名为郭守敬环形山，编号2012的小行星也用郭守敬的名字命名。