二年，授都水少监。守敬言：“京师西麻峪村，分引卢沟水东流，穿西山而出，是为金口，灌溉之利，不可胜言。兵兴以后，典守者以大石塞之。若按故积，使水通流，可以助京畿之漕运。”又言：“当于金口西预开减水口，通大河，防涨水突入之患。”帝善之，而未施行。十二年，丞相伯颜伐宋，议立水站，命守敬按视。守敬自陵州至大名，又自济州至沛县，又南至吕梁，又自东平至纲城，又自东平清河逾旧黄河至御河，自卫州河至东平，自东平西南水泊至御河，乃得汶、泗与御河相通形势，为图奏之。
初，秉忠以《大明历》自辽、金承用二百余年，浸已后天，议修正之，事未及行而秉忠卒。十三年，宋平，帝思用其言。遂以守敬与王恂率南北日官，分掌测验推步于下，而命文谦与枢密副使张易领之，左丞许衡以通算理，亦命参预其事。守敬以测验由于仪表，作简仪、仰仪、正方案、景符、眺几诸器，测验之精，不爽毫厘。是年，都水监并于工部，守敬除工部郎中。
十六年，改局为太吏院，王恂为太史令，守敬为同知太史院事，赐印，立官署。及奏进仪表式，守敬当世祖前指陈算理，至于日昃，帝听之无倦容。奏请设监侯官二十七所，立表取直测景，从之。自丙子之冬至日测晷景，得丁丑、戊寅、己卯三年冬至加时，减《大明历》十九刻二十分，又增损古岁余岁差法，上考春秋以来冬至，无不尽合。以月食术及金水二星距、冬至日躔，校旧历，退七十六分。以日转迟疾中平行度，验月离宿度，加旧历三十刻。以线代管窥测赤道宿度，以四正定气立损益，以定日之盈缩，分二十八限为三百六十六，以定月之迟疾。以赤道变九道定月行，以迟疾转定度分定朔，而不用平行度，以日月实合时刻定晦，而不用虚进法，以距离綧肉定交食，其法视古皆密。又悉去诸历积年日月法之傅会，一本天道自然之数，可以施之永久。
十七年，新历成。守敬与诸臣奏上，赐名《授时历》，颁行天下。
十九年，王恂卒。时新历虽颁，然推步之式，与立成之数，皆未有定稿。守敬比次编类，整齐分秒，为《推步》七卷，《立成》二卷，《历议稿》三卷，《乾坤选释》二卷，《上中下三历法式》十二卷。二十年，守敬拜太史令，奏上之。又有《时候笺注》二卷，《修改源流》七卷，《仪象法式》二卷，《晷景考》二十卷。《五星细行考》五十卷，《古今交食考》一卷，《新测二十八舍杂坐诸星入宿去极》一卷《新测无名诸星》一卷，《距离考》一卷，并藏之官。
二十八年，守敬建言引白浮泉水经瓮山泊，自西水门入城，汇于积水潭，复出南水门入旧运粮河，可省通州至大都陆运之费。从之。事具《河渠志》。
三十年，世祖还自上都，过积水潭，见舳胪蔽水，大悦，赐名通惠河，赐守敬钞一万二千五百贯，以旧职兼提调通惠河漕运事。三十一年，拜昭文馆大学士、知太史院事。
大德二年，召守敬至上都，议开铁幡竿渠。守敬奏：“山水频年暴下，非大为渠堰，广六七步不可。”执政难之，缩其广三之一。明年大雨，山水下注，渠不能容，漂没人畜卢帐，几犯行宫。成宗谓左右曰：“郭太史神人也，惜其言不用耳。”七年，诏内外官年及七十，并听致仕，独守敬不允。自是翰林、太史院、司天台官不致仕，着为令。延佑三年卒。
其门人齐履廉谓守敬纯德实学，为世师法，其不可及者有三：一曰水利之学，二曰历数之学，三曰仪象制造之学。许衡尤推服守敬，以为异人云。
史臣曰：“先正阮文达公有言，推步之要，测与算二者而已。郭守敬简仪、仰仪之制，前此言测候者未及也。垛积招差句股弧矢之法，前此言步算者弗知也。测之精，算之密，上考下求，若应准绳，可谓集古法之大成，为将来之典要者矣。
齐履谦，字伯恒，大名人，父义，通算术。履谦年十一，教以推步星历之法。
至元十六年，初立太史局，改治新历，履廉补星历生。太史王恂问以算数，履廉随问随答，恂大奇之。新历成，复预修《历经》、《历议》。二十九年，授星历教。都城刻漏，旧以木为之，其形如碑，名碑漏，内设曲筒，铸铜为丸，自碑首转行而下，鸣铙以为节，久坏，晨昏失度。大德元年，中书省使履谦视之，因见刻汛漏旁有宋旧铜壶四，于是按图考定莲花、宝山等漏，命工改作。又请重建鼓楼，增置更鼓，当时遵用之。