随着航海事业的发展，人们终于把天文学和计算数学应用在航海上，形成了称做“牵星术”的天文航海技术，用来测定船舶在海中的方位。也就是以“牵星高低为准”，通过所测量的星斗高低位置，来计算船舶跟陆地距离的远近，再从观测日月的出没，或者指南针的指向作用而得知方向，就可以确定船舶在海中的位置了。就像巩珍在《西洋番国志·自序》里所说的：“在大海中航行，只见浩渺无际，水天相连，什么也看不到，只有观察日月升降来辨别东西，观测星斗高低来度量远近。同时，在刻着方向位置的木制地盘上放着水浮指南针，用来指引航向。”
大约在元明时期，我国开始利用牵星术来观测船舶所在地的地理纬度。牵星术是利用一种叫牵星板的简便工具来进行的。据明朝李诩的《戒庵老人漫笔》记载，牵星板用乌木制成，一副是12块正方形木板，从小到大，最小的每边大约2厘米，每块大约递增2厘米，最大的每边大约22厘米。它的单位叫做指，分别是一指、二指一直到十二指，一指相当于现在的一度半左右。另外又有用象牙制成的一个小方块，大约6厘米长，四角刻有缺口。缺口四边的长度分别是半角、一角、二角、三角，一角是四分之一指。使用的时候左手拿着牵星板一端的中心，手臂伸直，让木板的下边缘保持水平线，上边缘对准所观测的星辰，这样就可以测出船舶所在地所看到的星辰距离水平线的高度。高度不同可以用12块牵星板或象牙板替换调整。在测得星辰高度以后，就可以计算出船舶所在地的地理纬度。
元代以测量天体高度来判认船位变化的记载就十分明确了。据马可·波罗乘坐中国海船的远航纪实文字可知，中国航海者已非常注意观测北极星的高度变化。在马可·波罗游记一书中，共有四处关于星体出地（或出水）高度的记载，其中三处有具体数值：“科马利（今科摩林岬）是印度之一国，在爪哇看不见的北斗星，在距这里三十迈尔的海上，可见其出地平一古密”；“这里（指马里八儿，今印度西南马拉巴海岸）北极星最高时达水面之上二古密”；“这里（指胡萘辣，今印度卡提阿瓦半岛）北极星上升到六古密高”；“这里（坎巴夷替，今印度坎巴）北极星更明，盖因更向西之故”。鉴于《马可·波罗游记》在西方影响很大，故各种版本、译本众多，译法亦各有千秋，甚至有显著差异。这种情况在国内现存的译本中也反映了出来。
马可·波罗于1292年从福建泉州港启航，利用护送蒙古公主阔阔真去波斯的机会踏上了返回家乡的归途。元代的泉州港是国内最大的国际贸易港口，远洋船舶精良，航海技术人才荟集，马可·波罗一行之所以千里迢迢选择此地登船是很有道理的。《马可·波罗游记》中有关北极星高度的记载，很可能也正是当时福建泉州一带海员在远洋中观测天体高度所留下的记载。这一点，我们可以从前已提及的宋代泉州海员所拥有的量天尺中得到印证。
从文献角度看，元代确也出现了使用量天尺的明确记载，明嘉靖本《太仓县志》卷4中说：“鲛印兼斤传海上，海人一尺立阶前，娄江码头天下少，春水如天即放船。”“海人一尺立阶前”，意谓航海者手持一把尺站在船头。航海者站在船头是为了掌握行船航向，他手中的尺子便是量天尺。
中国航海人的保护神——妈祖
在中国，妈祖是影响广泛而深远的海神之一。中国沿海各省市以及东南亚很多国家和地区，凡是有海运的地方大多会有妈祖庙。人们在起航前大都先拜祭妈祖，祈求保佑顺风和安全。作为人们心中的“海上女神”，妈祖是人们安定幸福的心理保障，她慈眉善目、气定神闲的形象世代流传。
根据《闽书》记载，妈祖确有其人。她姓林名默，福建省莆田市湄洲岛人，生于宋建隆元年，从小天资聪颖。她一方面精通医学，为百姓治病；一方面占卜天气，事先告诉渔夫客商能否出海。林默还有极好的水性，常常救助海上的渔民于危险之中。相传，在林默16岁那年，她的父亲和兄长出海捕捞，在家中帮母亲织布的她，忽然感觉异常困乏，就睡在了织机上。梦中，她看到了波涛滚滚的海浪将父、兄驾驶的船打翻，父、兄落水。林默立即跳入海中，将父亲拉起。而此时，在家的母亲见到睡梦中的林默不安，就将其叫醒。醒后的林默一惊，手中的梭子就掉在了地上，她悲痛地看着母亲说阿爸得救了、阿兄去世了。母亲起初不信，但后来看到只身一人返航的丈夫才号啕大哭。林默“游魂救父”的事迹传开之后，乡亲们都惊异于林默的法力。不幸的是，林默28岁那年冒着风险去海上救人时，溺水而亡。因为善良的林默生前常常帮助人们，死后又屡屡显灵救助遇难的渔民，人们为了纪念她，就尊称其为妈祖。善良的林默虽离开了人世，而以她为原型的妈祖形象却永远留在人们心中。渔民们寄希望于妈祖，纷纷建立了妈祖庙，祈祷妈祖保佑自己和亲人出海顺利。
宋天圣年间，一位商人在林默的家乡建庙供奉天后娘娘，这座名叫“顺济”的小庙，是最早专门供奉天后娘娘的庙。人们把林默称为“湄州神女”或“宁海镇神女”。从此，供奉天后娘娘的习惯就在福建沿海一带的渔民中间流传开来。
到了南宋时期，海事活动更加频繁，每次重大海事活动，都是对主事者加封加爵，同时也要对航海保护神颂扬一番。在清康熙十五年（1681年），林默娘升到女神的至尊至圣的位置——天后，供奉她的庙宇也由神女庙、天妃庙改为天后宫。一个民间崇拜的小神，从此摇身一变，成为国家祭奠的国神。天妃的法力也向所有领域扩展，据说她不但能保佑航海人的平安，还能免灾除难，普度众生，连对国家的兴衰都有一定的“功效”。
从此以后，渔民们尊称林默娘为“妈祖”，对妈祖的崇拜也在我国航海业中广为流传。
中国最早航海壮举——徐福东渡
徐福两次出海
关于徐福东渡的次数问题一直以来就有较大的争议，根据《史记·秦始皇本纪》记载，徐福出海有两次：公元前219年和公元前210年。
公元前219年，秦始皇到东方沿海各郡巡视。大队人马在泰山封禅刻石，又抵达海边，只见云海之间，山川人物时隐时现，蔚为壮观，令秦始皇心驰神往。这种景象，本来是海市蜃楼，但方士为迎合秦始皇企望长生的心理，将其说成传说中的海上仙境。徐福乘机给秦始皇上书，说海中有蓬莱、方丈、瀛洲三座山，有仙人居住，可以得到长生仙草，于是要求出海为秦始皇寻找三神山和长生不老之药。秦始皇大为高兴，“于是遣徐市发童男童女千人，入海求仙人”。
据史料推断，徐福此次是从琅琊港一带出航，很快到达了朝鲜半岛西海岸，并沿着半岛西海岸南下，进行了详细的勘查。但是遗憾的是，徐福在这里并没有找到长生不老的仙药，于是又沿原路返回了琅琊。
历史上的琅琊港
琅琊港是我国春秋战国时期著名的碣石（今河北秦皇岛）、转附（今山东烟台）、琅琊（今山东胶南）、会稽（今浙江绍兴）、句章（今浙江宁波）五大港口之一，并以琅琊港的名声最为显赫。唐代，琅琊港为南方通往北方的主要港口，胶南市张家楼镇东安子村曾出土两件唐中期长沙窑烧制的瓷器。
徐福知道此次无功而返必难逃一死，于是他主动拜见了秦始皇，并巧妙地回答了出海求仙的事情。徐福自称见到海神，海神以礼物太薄，拒绝给予仙药。对此，秦始皇深信不疑，增派童男童女及工匠、技师，带上谷物种子，令徐福于公元前210年再度出海。
一般认为，徐福此次出海是从登州湾出发，率领船队浩浩荡荡地扬帆东行，渡过长山列岛、庙岛群岛，沿辽东半岛东南向东抵鸭绿江入海口，再经朝鲜半岛西海岸南下，发现并进驻了济州岛。后在济州岛周围探查时又发现在济州岛的东方有一个大岛（九州岛），徐福的船队东行300多千米到达了日本的九州岛。最终“得平原广泽，止王不来”，开始了在海外的创业。
不解的谜团
徐福东渡日本的海上探险活动，给世人留下了一个个不解的谜团。后人只能从相关的史料记载中了解一二。五代后周时期济州开元寺的义楚和尚著有《义楚六贴》，该书说：“日本国亦名倭国，在东海中。秦时，徐福将五百童男、五百童女止于此国，今人物一如长安。……又东北千余里，有山名富士，徐福至此，亦名蓬莱，至今子孙皆曰秦氏。”这一消息来源于义楚和尚的日本朋友弘顺和尚，可见“徐福东渡日本说”早在日本本土流传。
到了宋代，欧阳修在《日本刀歌》中写道：“传闻其国居大岛，土壤沃饶风俗好。其先徐福祚秦民，采药淹留多童老。百工五种与之居，至今器玩皆精巧。”此后，中国、日本、韩国许多著作，纷纷载入徐福到达日本的故事。日本徐福会理事长饭野孝宥先生还根据徐福在日本的第七代嫡孙秦福寿遗书，在《弥生的日轮》一书中，列举了徐福带领的528个童男女和百工的名字。
许多学者还从中国与日本的民俗风情、语言、文字、航海技术、医药、宗教、族谱、文化交流以及日本出土的秦代大量文物、徐福遗迹等，论证了徐福到达日本的真实性。学者们认定，日本从结绳记事的石器时代，突然飞跃到能播种稻谷、能养蚕、能织布、能冶炼钢铁的弥生时代，是徐福带去了先进文明的结果。
徐福热
徐福东渡不仅是中国航海史上的壮举，也是世界航海史上的壮举。徐福在公元前3世纪东渡时所使用的航船的吨位、航海的技术水平、船队的规模之大等诸多方面都处于当时世界的最前列。而西方的哥伦布、麦哲伦等人要比徐福晚了1000多年。
徐福东渡的成功是中外文化交流史上的里程碑，是有文献记载的中国文化的第一次跨海传播。徐福将先进的中国文化带到了日本列岛和朝鲜半岛，极大地促进了日本和韩国的社会发展。直到今天，日本和韩国还有不少姓氏家族，自称是“渡来人”或“秦人”的子孙，有的被认为是徐福所率领的童男童女的后代。
现在，“徐福热”正在世界兴起，徐福开发了日本的观点，已为越来越多的研究学者所认同。徐福东渡这一航海壮举也成为一段佳话被世人广为传颂。
长生仙草
后世关于长生的仙草有许多说法，皆已无从考证，一说是灵芝，能愈万症，其功能应验，灵通神效，又被称为“不死药”。
另一个有趣的传说是日本祝岛的“不死之药”，该药在日本古籍中名叫“千岁”，大小如核桃，汁浓、味甘，据说食后可保千年不死，闻一闻也可以增寿三年。经过当代学者探访、采集和鉴定，认为是一种野生猕猴桃。
还有一个是八丈岛咸草的传说。在八丈岛上有一种伞形科多年生的草，名曰咸草。叶子有光泽，茎和叶可以食用。咸草生命力很强，叶子摘掉后马上会生出新叶，因而又名曰“明日叶”。咸草味美且营养丰富，据八丈岛人说，“徐福来寻找的其实就是咸草”。
海上丝绸之路
汉武帝极力开辟海上交通，致力于海上各国往来。在汉武帝的努力下，汉朝终于先后开辟三条重要的海上航线。
1.北起辽宁丹东，南至广西白仑河口南北沿海航线。
2.从山东沿岸经黄海通向朝鲜、日本。
3.海上丝绸之路：徐闻、合浦航线。
汉武帝时曾于建元三年（公元前138年）、元狩四年（公元前119年）两次派张骞（？—公元前114年）出使西域。开辟了中西交通贸易通道——陆上“丝绸之路”。
我国自古以丝绸闻名于世，古希腊人把丝叫做ser，就是从“丝”字读音而来的，“Seres”（制丝的人）以后被引伸为产丝的地方——中国。古希腊人曾把中国称为赛里斯。丝绸之路开辟后，中国丝绸远销至大秦（即罗马帝国），但要经过亚洲西部古国安县（领有今伊朗高原和西河流域）商人转销。罗马人希望找到海上通道至中国。汉武帝时，大秦国曾入贡。”
据古代罗马学识渊博的科学家普林尼（23—79）所著《自然史》说，罗马恺撒时代今斯里兰卡岛的拉切斯等四人从海道出使罗马，据拉切斯对罗马人说，他父亲曾亲自到过中国。还说中国和罗马都与斯里兰卡有直接往来。普林尼还介绍说罗马贵族“投江海不测之深，以捞珍珠”。罗马贵族把珠宝除留给自己享用外，还以它们“远赴赛里斯（中国）以换取衣料（丝绸）”。
至东汉桓帝延熹九年（166年）“大秦王丹敦遣使自日南徼外，献象牙、犀角、玳瑁，始乃一通焉”。《后汉书·西域传》这是中国同欧洲国家直接友好往来的最早记录。这种友好往来，突破了斯里兰卡的中转，是接通了海上远洋东西航线直接进
瓷器——海上丝绸之路的主要商品行的。
汉代造船航海业的发展也说明了航海知识的丰富。在指南针尚未能应用于航海的汉代，舟师只能凭经验观察星象特别是北斗星与北极星来定出航向方位。“夫乘舟而惑者，不知东西，见斗极则寤矣”。（《淮南子·齐俗》）在气象变化上，汉代已知观测风向，做出判断，已知利用季风航海。风的顺逆至关重要。顺水行船，再加顺风，航行快速安全，如是逆水行船，再加逆风，航行缓慢又容易发生危险。舟师都非常重视这种随季节而变向、定期而至的季风。
法显——西天取经第一人