郭守敬上書說：“曆之本在於測驗，而測驗之器莫先儀表。”這就是說，製訂曆法的根本在於實際觀測，而觀測得先準備好適用的天文儀器。這種在實測的基礎上編訂新曆法的原則得到太史院同仁的認同和元世祖忽必烈的批準。
郭守敬不光是製造傳統的天文儀器，而且大膽革新，研製出許多前人所沒有的、測量精度更高的新儀器。他首先對傳統的圭表進行改革。圭表誕生很早，相傳西周初（公元前11世紀）周公就已使用過圭表。它由直立的表和被稱為圭的正南北方向水平放置的尺組成。正午時，太陽將表的頂端投影在圭麵上，夏至時表影最短，冬至時表影最長，通過長時間的實測可以定出一回歸年的長度。同樣是在夏至或冬至，圭表在南方或北方所處的地理位置不同，影長也不同。曆代的圭表其表的高度一般均取為8尺，但郭守敬卻建造了高4丈的巨型圭表，因此稱為高表。表加高到4丈後，圭長也相應增至128尺（指專門測量表影長短的影表尺，1尺等於24525厘米），圭麵周圍有水槽，以便注水檢驗圭麵安裝是否水平。高表中的表係銅製品，原長5丈，入地深1丈4尺，在圭麵上露出3丈6尺，表頂東西兩端支撐起一道橫梁，橫梁至表頂4尺，這樣橫梁到圭麵的高度差正好為4丈。橫梁兩端可係鉛垂線，以檢驗表是否與圭麵相垂直。設置高表的目的是為提高測量日影長度的精度，但表加到如此之高之後，表的影子就會模糊不清。為解決這一問題，郭守敬發明了一種叫景符的裝置，它是一個寬2寸、長4寸的中間有一小孔的銅葉，北高南低地放在一個架子上，並隨同架子在圭麵上來回移動，利用小孔成像的原理，可在圭麵上清晰地呈現出太陽和4丈高表的橫梁的像，當梁影正好平分太陽像時，即可由此位置正確地讀出日影長度。
為了測量星星和月亮的視位置，郭守敬又為高表設計了一種叫窺幾的附屬儀器，它是一張桌麵開有長縫的長方桌，桌子長6尺、寬2尺、高4尺。將窺幾順著南北方向放在圭麵上，人在窺幾之下觀測。窺幾幾麵的狹縫中有兩根界尺，叫窺限，觀測時，使兩窺限分別與天體及橫梁上下邊緣成一直線，然後取兩窺限的中值，由此可算出天體在圭麵上的“影長”，從而求出該天體的地平高度。
中國古代，測量天體在天穹上視位置的常用儀器是渾儀。它是在支柱上麵，安裝多組互相垂直的圓環，圓環上還有刻度。這多組圓環有的在最外層固定不動，有的位於較內層，可以繞中心轉動。這些圓環彼此交結成一個渾圓的球，故稱渾儀。在渾儀的中央，設有觀測天體的窺管，它可以自由地轉動，指向天穹上任何位置的天體，然後再從多組圓環上讀出天體的幾種不同的量度坐標。這似乎相當方便，但渾儀由於有多組圓環，一重套一重，這樣不僅容易發生澀滯難運的現象，而且用窺管觀測某天體時，常會被某一圓環所遮擋，從而對觀測帶來了許多不便。針對這一缺點，郭守敬對渾儀作了根本的改革，創造了著名的簡儀。
郭守敬摒棄了把幾種不同坐標的圓環集中在一起的做法，廢除了渾儀中設有的黃道坐標環組，而且把渾儀中的赤道坐標環組和地平坐標環組分解成兩個獨立的部分——赤道裝置部分和地平裝置部分。前者由北高南低的兩個支架支撐極軸，極軸的南端內外套疊著固定的百刻環和遊旋的赤道環，南北兩極之間夾著四遊雙環，四遊雙環中裝有窺衡，與渾儀中窺管不同的是，它是依靠窺衡前後橫向突出物上的兩個圓孔來瞄準天體的。窺衡對準天體後，從四遊雙環以及百刻環和赤道環的相對位置上可以讀出天體的赤道坐標。地平裝置部分由安放在下部的固定的地平環以及可繞鉛垂線旋轉的立運環組成，立運環中間夾有窺衡，窺衡瞄準天體後，從地平環和立運環上可以讀出天體的地平坐標。
簡儀中的赤道裝置部分，與現代天文望遠鏡
中的赤道式裝置原理完全一樣。所以，英國著名科學史家李約瑟在評價簡儀時說：“對於現代望遠鏡廣泛使用的赤道裝置來說，郭守敬的做法實在是很早的先驅。”
郭守敬所製的簡儀未能保存至今，但明代仿製的一台簡儀如今還存放在南京紫金山天文台。