張文謙任大名路、彰德路宣撫使僅一年左右，便奉忽必烈之召返回都城開平。中統三年（1262），張文謙向忽必烈推薦了郭守敬，稱許他“習知水利，且巧思絕人”。忽必烈很快召見了
郭守敬。郭守敬向忽必烈彙報了自己在大名路、彰德路兩地區的水利勘察情況，提出了6條治水建議，並詳細闡述了每條建議中的工程方案及其效用。這些建議的實施，將對發展燕京（今北京市）以南、黃河以北的大片地區的農田水利灌溉和水上運輸帶來極大的好處。忽必烈對此深感興趣，他當即派郭守敬擔任提舉諸路河渠的職務，讓他經辦各地河道水利事宜。翌年，郭守敬又被提升為佩帶銀符的副河渠使。
郭守敬的6條治水建議未能一一得以實施，原因是在他的第一條建議獲準付諸實施之後，朝廷又派他去執行別的任務。中統五年，忽必烈更改年號，改稱這年為至元元年（1264年）。這年初夏，郭守敬被派到西夏一帶去視察河渠水道。幾個月後，忽必烈決定建都燕京，並將其改稱為中都。接著張文謙被派任西夏地區行政長官。西夏位於沿黃河的河套平原，一向是西北重要農耕地帶，很早就開鑿了許多灌溉渠道，但那時這些河渠大多已年久失修。在張文謙的領導下，郭守敬以副河渠使的職銜負責籌劃整修西夏古渠，計劃製定後，得到許多當地官員的支持，民眾也踴躍參加。不到一年時間，不僅疏浚了舊有河渠，還開辟了幾條新渠，同時設計修建了許多水壩、水閘來控製和調節河渠的水量。於是這一帶出現了渠水四達、稻麥豐收的景象。後來，西夏人民特意在當地建了一座生祠，來紀念他的功績。
至元二年（1265），郭守敬回到中都，忽必烈升他為都水少監，這是掌管全國治水的中央官署的副長官。郭守敬升任都水少監時期，中都日益成為蒙古汗國的政治中心。但從華北平原利用天然水道和運河隻能到達離中都四十多裏的通州（今北京市通縣），從通州到中都原先雖有一條運河，但因所引水源太小，流量有限，無法通航，有時甚至河水幹枯，因此通州和中都兩地間隻能依靠陸路運輸。郭守敬提出改引盧溝河之水為運河水源的方案，為防河水暴漲，還提出了開鑿減弱水勢的減水口的補充建議。經忽必烈批準，此計劃得以實施。但在至元三年（1266）完工後，並未完全解決水路運輸問題，主要原因是盧溝河挾帶泥沙太多，運河上不能加設可調節流量卻會阻礙泥沙衝走的水閘，同時由於引水後水流湍急，巨大的糧船無法逆流而上。但它對兩岸農田的灌溉則起了很大的作用。
至元八年（1271），忽必烈建國號大元，中國曆史上的元朝便從這一年正式開始起算。翌年，忽必烈將中都改稱大都，成為元朝的統治中心。郭守敬於至元八年升任為都水監，即掌管全國治水的中央官署的正職長官。至元十三年（1276），忽必烈將治水部門並入工部（掌管各
種工程、水利等事務的中央官署），郭守敬被封為工部裏的高級官員工部郎中，仍分管河工水
利事務。郭守敬在任都水監和工部郎中任內，做了大量工作，勘察和治理過的河、渠、泊、堰以數百計，他還奉命沿著黃河和黃河故道測量地形，掌握了黃河以北縱橫數百裏地區內地勢的起伏變化，並繪出地圖，注明情況。
在長期負責河工水利工作中，郭守敬逐漸形成了地形相對高度的概念。元代齊履謙著的郭守敬傳記《知太史院事郭公行狀》中說，郭守敬“又嚐以海麵較京師至汴梁（今河南省開封市）地形高下之差”，即嚐試拿海平麵作標準來比較大都到汴梁不同地方的地勢高低之差，這是當今地理學中“海拔”概念的最早應用，也是他長期水利工作中的一項創造性成就。這一概念的提出遠比西方為早。
研製天文儀器
在金朝滅亡之後的三四十年中，南宋王朝與蒙古汗國處於南北對峙的局麵。但南宋王朝腐敗沒落，軍力衰弱，而忽必烈在一些漢族士大夫的謀劃下，治國有方，軍事強盛。至元十二年（1275），忽必烈發兵攻打南宋王朝，軍事行動節節勝利，大軍直逼宋都臨安（今杭州市）。翌年，南宋恭宗趙投降。這以後，雖然宋室在文天祥、陸秀夫等人領導下，相繼擁立趙正曰、
趙奮力抵抗了三年多，但大勢已去。至元十六年（1279），南宋王朝完全覆滅，元朝政權一統全國的局麵形成。
中國曆代封建王朝都把製定和頒布曆法視為皇權的象征，忽必烈和他的謀臣們當然也這樣認為，再加當時舊有曆法錯誤甚多，的確也迫切需要一部準確的新曆。至元十三年（1276），元軍一占領臨安，忽必烈就下令成立專門機構太史局（掌管天文、曆法的中央官署），籌劃編訂新曆。此事起初由王恂具體負責，不久忽必烈又同意王恂等人的建議，把郭守敬從工部調到太史局來，負責儀器製造和天文觀測工作。兩年後太史局擴大為太史院，張文謙任該院最高領導人太史院事，王恂為太史令，郭守敬為同知太史院事。太史院還集中了全國許多天文學者和曆法工作人員。