至元中期以後，大都每年消耗的糧食激增，但來自南方的一船船糧食，由水路隻能運送到大都東南方40多裏的通州，無法直達大都。前文提出，至元三年，郭守敬曾主持完成了引盧溝河為水源的連通大都與通州之間的運河工程，但盧溝河夾帶泥沙太多，為不使泥沙沉積，抬高河床，運河上不能建閘壩，水速無法得到減緩，湍急的水流使糧船無法從通州逆流而上到達大都。
至元二十八年（1291），在事先做了充分考察的基礎上，郭守敬向忽必烈提出一個新方案，改引大都之北神山腳下白浮泉泉水為水源，先引進上都，蓄入積水潭中，再從積水潭引水南流，進入大都與通州間的運河中，這樣可以解決通州與大都間的糧食運輸問題。
至元二十九年（1292），忽必烈下令開始這項治水工程，他除讓郭守敬任太史令原職外，再兼職主管都水監事務，並總體負責這項工程。治水工程開工那天，忽必烈下令自丞相以下的所有百官都得到工地參加勞動，以示倡導。這項工程從神山到通州全長160多裏，於至元三十年（1293）完工，並由忽必烈將它命名為通惠河，從此通州與大都間的水路運輸問題終於得到了解決。
在這項工程中，郭守敬再次顯示出他的聰明才智。其一，從神山引白浮泉到大都，是沿一條先向西、再向南然後再向東的一條弧形線行進的，在這條路線上地形大體上從海拔60米到40多米逐漸下降的，如果從白浮泉直接向南奔大都，中途有海拔低於40米的河穀地帶，水位下降了再上升就困難了，這說明郭守敬對這一帶的地形和海拔高度有相當深入的研究。其二，從大都到通州，海拔下降了約20米，但由於這次引的是白浮泉，清澈見底，沒有什麼泥沙，
所以可以建閘壩來緩和水勢，不會因泥沙淤積而抬高河床。由於水勢較緩，大糧船也就可以航行了。其三，為減緩水勢，郭守敬在整段通惠河上設置了20多處閘壩，閘壩上有閘門，距閘門不太遠處又加設鬥門，閘壩和鬥門上都有放船進出的通道口，口上裝有能上下升降的啟閉設施。一啟一閉，兩相配合，調整中間部分水位，便可放行船隻。
由於郭守敬在天文曆法和河工水利上的巨大業績，至元三十一年（1294），忽必烈升任他為昭文館大學士，這是元代帶榮譽性的級別較高的虛銜，他的實際官職是知太史院事，主管太史院的天文曆法工作。同年晚些時候，年已80高齡的忽必烈駕崩，其孫鐵穆耳繼位，為元成宗。
在元成宗繼位那年，郭守敬已65歲。此後他又在元武宗和元仁宗執政下為官。在他暮年的20多年中，皇室揮霍無度，國庫空虛，再也沒有多少財力投入到天文工作和水利建設中，再加他年事已高，精力已衰，但皇帝又不準他退休，所以他隻能安於其望重而位尊的生活，難有多少作為了。元仁宗延佑三年（1316），郭守敬去世，歸葬於其家鄉邢台。
郭守敬畢生重視實踐，在實踐中他既善於吸取前人的經驗和長處，同時又不墨守成規，而是敢於創新、善於創新。這是郭守敬一生取得如此卓越成就的最重要的原因。
明末來華的德國傳教士湯若望曾推崇郭守敬是“中國的第穀”。
郭守敬和第穀都是卓越的天文儀器製造專家和觀測天文學大師，他們的天文觀測精度都已接近甚至達到使用古代天文儀器所能獲得的極限精度。第穀提出了第穀宇宙體係，而郭守敬則編製了當時世界上最精確的曆法——《授時曆》；第穀同時是星占家，而郭守敬則兼有比星占更實在得多的專長，他是著名的治水專家。對比之下，郭守敬確實不比第穀有什麼遜色之處。然而，郭守敬比第穀要早三百多年。因此，有人認為，也許應該把第穀譽為“歐洲的郭守敬”更恰當些。
為紀念郭守敬的卓越貢獻，月球背麵一座位置為〔134°W，8°N〕的環形山被命名為郭守敬環形山，編號2012的小行星也用郭守敬的名字命名。