郭守敬自幼承祖父郭荣家学,精通天文、数学、水利等学问。至元十三年(公元1276年),元世祖忽必烈攻克南宋都城临安,在统一前夕下令制定新历法,并成立了新的历法管理机构——太史局,由张文潜等人主持。太史局由王勋任局长,郭守敬辅佐。在学术方面,王勋负责计算,郭则负责制仪、观测。
至元十五年(或十六年)郭守敬主持修订了哪本书,史局改名为史馆,王勋任史馆长,郭守敬任史馆副馆长,并设立观象台。当时杨公仪等人也来一起工作。经过四年的艰苦努力,终于在至元十七年编纂出新历,并被忽必烈命名为《述史历》。
受时历是中国古代十分完善的历法。王巡、郭守敬等人研究分析了汉代以来的四十余种历法,博采众长,坚持制历要“明历理”(王巡)、“历之本在试,试之器郭守敬主持修订了哪本书,无非器”(郭守敬),采取理论联系实际的科学态度,取得了许多重要成果。
郭守敬与王勋、许衡等人共同编纂了我国古代最先进、使用时间最长的历法《述实历》。为了编纂历法,他创制和改进了建仪、高表、后纪仪、浑天象、阳仪、历云仪、景福仪、奎仪等十多种天文仪器。他还在全国设立了27个观测站,进行了大规模的“四海测量”。测得北极高程平均误差仅为0.35;新测28星座距离,平均误差在5′以内;确定了黄道倾角新值,误差只有1′多;取回归年长度为365.2425天,与现行公历值完全一致。
郭守敬所撰天文历法著作十四部,包括《推部》、《历成》、《历仪稿》、《仪相法式》、《上中下三历注事》、《修社元历》等,共计105卷。
为了纪念郭守敬的功绩,人们把月球背面的一个陨石坑命名为“郭守敬陨石坑”,把2012号小行星命名为“郭守敬小行星”。
郭守敬设计和主持修历的新仪器有:监仪、高表、后纪仪、灵笼仪、阳仪、历云仪、正历仪、景符、窥仪、日食仪和晷计计时仪等十二种(史书记载有十三种,也有研究者认为最后一种可能既是晷计又是计时仪器)。
郭守敬在大都(今北京)三年半内测量了日晷影约200次,确定了元朝开元十四年至十七年的冬至时间。他还根据可靠的史料推算,得出一个回归年的长度为365.2425天。这一数值与当今世界上普遍使用的公历数值相同。
自西汉刘歆创立三通历以来,中国古代历法一直采用上元积年和日法计算。唐宋时期,曹诗等人试图加以改变。受始历则彻底废除上元积年,以至元十七年冬至为计算起点,以至元十八年为“元”,即元始年。所用数据一律四舍五入到100,即采用100的十进制,废除日法分数表示法。
晚年郭守敬致力于河工水利,曾任京师水利总管。元二十八年至三十年,他提出并完成了大都至通州的运河工程(即百福渠、通惠河)。元三十一年,郭守敬升任昭文宫大学士,兼任御史大夫。在主持河工期间,他制作了一些精美的钟表。