元朝初创时期，就比较重视农业的发展。
1260年，忽必烈即位不久，就设立了十路宣抚司，命令十路宣抚司注意农业的丰歉，并挑选通晓农业生产知识的人当劝农官，掌握旱涝虫情，领导督促农业生产。
1261年，忽必烈又设立了劝农司，令汉人姚枢为大司农，以陈邃（suì岁）、崔斌等八人为劝农使，分头到各地去考察农业的生产情况，招集流民散勇，返回家乡，从事农桑。
1270年十二月，忽必烈下诏改劝农司为大司农司，增加官员，到全国各地去巡视慰问经过战争灾难的地区。命御史中丞孛罗兼大司农卿。丞相安童认为，孛罗是朝内重臣，兼大司农卿，有些大材小用。就上书给忽必烈，让调换个人。认为孛罗不合适。
忽必烈看了安童的奏折后，说：“管理农桑水利，这事非同小可！国家以人民为本，人民以衣食为本，衣食以农桑为本。我深感农业丰歉对治国安邦至关重要。只有派重臣管理，才能引起朝野上下的重视，不致于轻农桑、缀耕织，造成国穷民困！我是经过仔细考虑，才决定让孛罗总领大司农司的！”安童听了，心悦诚服。
大司农司主要管理农桑水利事宜，并考察地方官的勤惰，申报提升在农业管理上有成绩的地方官，处治那些荒废农桑的官吏。
大司农司成立后，为了促进农业的发展，推广先进的耕作技术，忽必烈下诏书，专门组织人力，编写了一部适合当时农业生产的书籍《农桑辑要》。这部书成于1273年，是从古代农书中选择有实用价值的东西，再加上当时一些有成效的农桑种植经验编纂而成的。这本书对指导当时农业的生产，起了很重要的作用。
由于农业生产的需要，水利建设也就引起了忽必烈的重视。
1261年，忽必烈就命令怀孟路广济渠提举王允中、大使杨瑞，招募民工，督领开渠治河，从太行山下沁口古迹处，开凿分水渠口，引沁水东流，经古朱沟流入黄河。这条大水渠可灌溉济源、河内（今河南沁阳）、河阳（今河南孟县）、温县、武陟等五县土地三千多顷。因收益比较广，所以就叫广济渠。
1281年，忽必烈为了解决运输灌溉问题，下令修通隋炀帝时开凿的大运河。首先开通了从泗水到汶水一段。接着，又修通了自东昌路须城县的安山，经过寿张到临清进入御河的一段。这段叫通会河。
1292年，都水监郭守敬建议开通大运河的最后工程。就是从昌平县白浮村开始，穿过大都，东至通州，与白河沟通。郭守敬还画出了详尽的施工图。
忽必烈看后，异常高兴地说：“好，马上动工！”在动工前一天，忽必烈命令满朝文武，自丞相以下，无论大小官员，都到工地劳动，挖土打坝。
1293年，这段工程竣工。至此，纵贯南北的大运河又沟通了。
一天，忽必烈从大都往上都去。经过积水潭，见运河中大小船只来往不断，运输繁忙，非常高兴，就把这段运河叫通惠渠。
郭守敬是河北省邢台人。他的祖父郭荣是位精通数学和水利的人，对少年时代的郭守敬影响很大。郭守敬十几岁时，就跟他爷爷的好朋友刘秉忠学习。
刘秉忠通晓天文地理，精于术数，是当时很有名的学者。他与张文谦都很受忽必烈的重用。
1262年，忽必烈急切需要懂水利的专家，张文谦就向忽必烈推荐了郭守敬。这时，郭守敬已经三十二岁。
忽必烈召见了郭守敬，询问水利方面的问题。郭守敬提出了兴修水利当时应急待解决的六件事，很得忽必烈的赏识，马上被任用，命他提举诸路河渠。后来，又加授银符、任命为副河渠使。
1264年，郭守敬随张文谦到西夏（今甘肃宁夏县）视察水利，修复了唐来渠和汉延渠。
第二年，忽必烈就任命他为都水少监，使他专心致力于水利建设。
早在元朝统一全国之前，刘秉忠就认为，祖冲之的《大明历》，自辽金以来沿用了二百多年，误差越来越大，很不适用。提出要修改历法。可是，还没等实施，刘秉忠就死了。
1276年六月，忽必烈诏命王恂和郭守敬主持修改《大明历》的工作。
忽必烈在修改《大明历》的诏书中说：如今天下大定，全国统一。从南到北一万多里，气候和时间有差别；东边到西边，同一天，日出和日落便不一样。我们自从取得中原以后，至今仍沿用《大明历》，从南北朝到现在已七百余年。旧历错讹较多，时令计算不准，耽误农桑稼穑。放牧掌握不住气候变化，航海辨不准方向。现在极需要测天候、量地极、观星象、计算时数。所以，特命郭守敬等测天量地、定准方位、校正时间，制定新历。
忽必烈又特地召见郭守敬，对他说：“国师刘秉忠一生有志于修改旧历，不幸早逝。临终时仍念念不忘这件事。你是国师的门生，理应担负此重任，完成他未竟的大业。”
郭守敬说：“陛下，臣定万劳不辞，呕心沥血，编制新历。请陛下放心！”并建议说，“编制历法要靠实地测验。测验靠仪器，而我们现在的仪器都很简陋。像司天浑仪，是二百多年前宋仁宗皇祜年间，在汴京（今开封）制造的，与当今大都灵台（即天文台）的天度不相符合。测算南北极，大约误差四度。这些仪表古老陈旧，不可靠，需要重新制造。”
忽必烈同意了郭守敬的意见。并命张文谦与枢密张易、左臣许衡等，帮助郭守敬和王恂办好这件事情。
郭守敬自己动手，重新制造和改制天文仪器。他针对浑仪的缺点，制造了一种新的仪器——简仪。
元以前的浑仪很复杂。用它测量天体的赤道坐标、黄道坐标和地平线坐标的读数，每个系统都要有一个专门的圆环。这样，就有八九个大大小小的圆环相套，不但移动不方便，而且也妨碍观察。郭守敬大胆改造，精简了黄道坐标，而把赤道坐标和地平坐标分制成两个独立的装制：一个是赤道装置，一个是地平装置。这两个装置构造既简单，使用又方便。
另外，郭守敬还制造了日食仪，月食仪，候极仪，日晷定时仪，日出永短图，量天尺（现完好地保存在河南登封郜城观星台）、以及玲珑仪、灵台水浑等，二十多种观测天象和表演天象的仪器。
一天，郭守敬把制成的仪器（包括量天尺模型。量天尺是大型天文仪器建筑，不能搬移），一件件都摆在宫内，请忽必烈过目。忽必烈很有兴致地看着，不时地问着。郭守敬详细地介绍每种仪器的原理和作用。忽必烈听得津津有味，简直入了迷。他整整不知疲倦地看了一天。
第二天，忽必烈在太和殿召集文武大臣，盛赞郭守敬学问渊博，制作精巧，有创造精神。
郭守敬奏道：“唐代天文学家一行法师，在开元年间，叫南宫说测量日影。从书中的记载看，当时在全国设有十三个观测点。现在，我们的疆域比唐代大多了。假若不设更远更多一些的观测点，则全国各处日月交食的时间不同，白天黑夜长短不一样，各地与日月星辰的距离远近不等，这就测验不准。要想测准确，需在全国建造二十七个观测站，派人日夜守候。”
忽必烈非常支持他的意见，马上任命了十四名监候官，到各地观测点去，建站进行工作。郭守敬就以河南登封观星台为中心台站，东到高丽（今朝鲜），西去滇池（今云南晋宁县东），南过朱崖（今广东琼山东南），北至铁勒（在北极圈附近，相当于今苏联图拉河到黑海一带），纵横四海，跋山涉水，踏烂铁鞋，风餐露宿，在全国范围内，展开了规模宏大的测验活动。
郭守敬不辞劳苦，奔波于全国各地的观察站，收集第一手资料，日日夜夜守候在观测仪旁。经过四年的辛勤劳动，终于在1280年编成了新历。忽必烈亲赐名为《授时历》。
1281年，《授时历》正式颁行全国。《授时厉》推算出：一年为365日5小时49分12秒。它比今天我们测量出来的地球绕太阳一周的时间只差26秒，这是世界历法史上的第一次准测。《授时历》比国际上通行的格利哥里历早三百年！