郭守敬還研製了仰儀。與簡儀一樣，它也是郭守敬首創的一種儀器，其形狀好像一口平放的大鍋，“鍋”的直徑達12尺，高為6尺。“鍋”口有水槽，注水後便可校正儀器置放是否水平。在“鍋”的南部放置東西向和南北向的竿子各一根，南北向的竿延伸到半球中心，稱縮竿，它可以在南北方向上稍作伸縮，以便使竿頂連著的璣板中的小圓孔精確地位於半球中心，璣板還可以繞南北向和東西向轉動。東西向的杆稱衡竿，它的作用隻是用來架住南北向的杆。在仰儀的內半球上，刻有赤道坐標網，不過這個坐標網和實際的天球坐標網東西、南北、上下正好顛倒。轉動璣板，使它正好正對太陽，太陽光通過璣板中心的小孔在仰儀的內半球上成像，從坐標網上即可讀出太陽在天穹上的視位置。日食時，針孔還可以把太陽像投影在“鍋”內，據此可以確定日偏食的食分、日食發生和結束的時刻。
郭守敬研製的天文儀器，除上麵已介紹的高表、景符、窺幾、簡儀、仰儀5種外，還有候極儀、渾天象、玲瓏儀、立運儀、證理儀、日月食儀、星晷定時儀等7種，以及專供野外觀測用的正方案、丸表、懸正儀、座正儀等4種。在此不作一一介紹。總的說來，郭守敬研製的各種天文儀器都具有精確、靈巧、簡便等優點，無怪乎明代初年修成的《元史》中，稱譽郭守敬研製的儀器“皆臻於精妙，卓見絕識，蓋有古人所未及者。”
舉世聞名的“四海測驗”
如上文所述，為開展精確的天文實測工作，編製出一部高質量的曆法，郭守敬創製了大量的天文儀器。但這並不是說，郭守敬是在這些新儀器問世後才開始進行天文觀測的。實際上在至元十三年（1276），郭守敬剛從工部調到太史局，他就開始用舊圭表測定每日中午的圭影長度，以便推算當年的冬至時刻。這以後，郭守敬的天文實測工作一直沒有間斷，他始終堅持一麵使用舊儀器從事天文實測工作，一麵又研製新儀器。至元十五年（1278），新天文儀器的研製工作已接近完成，王恂和郭守敬向忽必烈建議：“建司天台於大都。儀象、圭表皆銅為之，宜增銅表高四十尺，則影長而真。”忽必烈采納了他們的意見，撥款建造大都司天台，並裝備儀器，充實人員，使它成為當時世界上最有名的天文台之一。
至元十六年（1279），新天文儀器的研製工作基本就緒，忽必烈又召見了郭守敬。郭守敬獻上了所研製的一些儀表的樣品，並當場加以試驗、講解，忽必烈大為欣賞。郭守敬乘機向他提出擴大天文觀測範圍的建議。郭守敬認為，唐朝一行於開元年間令南宮說天下測影，在全國選擇了13個觀測點。而元朝的疆域比唐朝還要大，所以天文觀測範圍也應進一步擴大。隻有通過大規模的天文實測工作，積累足夠的資料，才能編製出精確的曆法。忽必烈采納了郭守敬的意見。於是，在忽必烈的支持下，郭守敬在全國選定了27個觀測點，其中最南的南海緯度僅15度，而最北的北海緯度高達65度，在這些觀測點上開展了大規模的天文測量，測量每一地方的北極出地高度（相當於當地的緯度）、夏至日圭表的表影長度、夏至日晝夜的長短等。這就是郭守敬舉世聞名的“四海測驗”。
在郭守敬進行的“四海測驗”工作中，有兩件事是要特別加以強調的，一是在陽城（今河南省登封縣告成鎮）的天文測量工作，二是在大都司天台的天文測量工作。
陽城自古以來被人們稱為“地中”（大地的中央），曆代天文學家都很重視在那裏開展天文觀測。唐朝一行主持的大規模天文觀測所得的數據，主要是取陽城的數據為標準進行比較和歸算的，所以郭守敬也特別重視這個觀測點。別的許多觀測點由他派人前往觀測，而這一觀測點則是他親自前往開展觀測的，而且在那裏建造了永久性的建築，這就是著名的元觀星台。
該觀星台有一巨大的石圭自南向北延伸，其影表尺長度正好是128尺。因此這座建築物實際上就是一個特殊的高表。4丈高的表很可能建造時就省去了，因為此建築物略低於左右兩窗的中部可以橫向擱置一根梁，它離圭麵的高度正好是4丈，它可以起高表中的橫梁的作用，配合景符同樣可以在圭麵上投影出被橫梁平分的日影。該建築物北麵的左右兩側有踏道盤旋而上，直至頂部寬闊的平台，在那裏可以安置儀器開展天文觀測，如觀測測量北極星的測地高度等。
在大都司天台的天文測量工作，郭守敬當然更為重視。該台是郭守敬列出的“四海測驗”中27個觀測點中的一個，與其他觀測點一樣的常規天文測量工作當然是必須進行的。除此之外，郭守敬還主持開展了三項重要的測量工作，一項是測量二十八宿距星的位置，所謂距星是二十八宿中每宿選定的一顆定位用的標準星，對它們的位置的精確測定是測量其他恒星坐標的基礎。第二項是郭守敬在測得二十八宿距星位置的基礎上，又測量了數以千計的肉眼可見恒星的坐標，並編成星表呈報忽必烈，可惜由於該星表已失傳，其詳細情況我們已不得而知了。在大都司天台，郭守敬開展的第三項重要的測量工作就是測量“黃赤道內外極度”，即黃道與赤道間的交角，如果我們把以觀測者為中心、天穹半徑視為極其巨大的假想球稱為天球，那麼赤道就是地球赤道麵向外擴展與天球相交的大圓，而黃道則是太陽一年中在天球上眾恒星間穿行所繪出的大圓，兩者間的交角便是黃赤交角。郭守敬當時已發現此角逐年有微小的變化，而且此角測定的精確與否會影響到編曆工作中的其他結果，特別對日月食預報的正確性頗有影響，所以他主持對此交角進行了長期的實測，最後獲得了相當精確的結果。