宋元時期中國天文學的研究達到了一個新的頂峰。
宋代的天文學成就在我國曆史上是首屈一指的。從公元1010年～1106在官方主持下，共進行了五次大規模的恒星觀測，其中最著名的就是第四次觀測，因為這次的觀測結果還引起了轟動世界的新發現。
公元1078年～1085年，北宋政府組織了對恒星天象的第四次大規模觀測。有個叫黃裳的人根據觀測的結果繪製了一個星圖送給了當時的太子趙擴，並由趙擴收藏，這就是著名的黃裳原圖。趙擴十分喜歡這張精心繪製的天文圖。靖康之變王朝南渡，這張寶貴的天文圖也隨之到了江南，大約從13世紀中葉起，在江南風景如畫的曆史名城蘇州的文廟門口就豎起了一石碑。以後，南宋滅亡，元明相替，幾百年過去了，也沒有什麼人注意過這塊古老的石碑。這塊古老的石碑高2米左右，寬約1米，碑上刻著一個大圓盤。盤上是許多被七拐八岔的線連在一起的小點點和一些稀奇古怪的文字，這就是公元1247年左右一個叫王致和的人根據黃裳繪製的原圖刻成的天文圖像。在這幅聞名世界的蘇州石刻天文圖上，刻有北宋第四次大規模天文觀測的結果——1430顆恒星。它是我國天文學史上，也是世界天文學史上的珍寶。
宋元時期最著名的天文學家是元朝的郭守敬，他從小喜歡讀書，喜歡觀察各種自然現象，對天文學尤其感興趣。他自己還製造了一些土儀器，如用竹篾做的渾儀來觀察天象，為後來對天文儀器的發明和創造打下了基礎。
公元1276年，元朝政府下令修訂曆法，郭守敬參加了這個工作。他本著實事求是的科學態度，提出在修訂曆法前應對天象進行一次大規模的觀測，官方采納了他的這一建議。這次許多人參加的大規模天象觀測活動使我國天方學史上記錄的恒星數量由1430顆增加到2500多顆，並把觀測結果也製成了星圖，遺憾的是這個星圖沒能保存下來。
在觀測天象的活動中，為了提高精密度，郭守敬在三年之內製成了簡儀、高表、仰儀等13種天文儀器。為了在外地觀測，他又創製了一套攜帶方便的天文儀器，還製作了仰規變距圖、導方渾蓋圖等五種圖，與儀器互相參照使用。
郭守敬創製簡儀，是對渾儀的大膽革新。渾儀是古代用來測量日、月和星星位置的主要天文儀器。但是結構複雜，轉動不靈便，且圓環很多，遮掩了一部分星星，不利於觀察。簡儀的功用和渾儀相同，但結構簡單，刻度精密，為了旋轉順利，還裝了滾球軸承，比歐洲應用滾球軸承早了將近二百年。郭守敬製造的天文儀器，精巧和準確程度都超過了前人。清朝初年，西方的傳教士湯若望來中國，見到郭守敬創造的天文儀器非常敬佩。他尊稱郭守敬為“中國的第穀”。第穀是16世紀歐洲著名的天文學家。也製造許多天文儀器。但他卻比郭守敬晚300多年。
應用這次觀測的數據，郭守敬花了兩年多的時間修成了一部新曆法——《授時曆》。以往的曆法不滿一日的尾數大多用分數來表示，使計算十分複雜，而郭守敬的《授時曆》改用了小數，他計算出一年為365.2425日，和地球公轉周期隻差秒，與當今世界上通用的公曆一年的周期相同。《授時曆》是在1280年頒布的，比現行的公曆要早302年。
郭守敬在天文曆法方麵的著作有14種，共計105卷，在古代天文學家中，他是著作最為豐富的一個。
從公元前6世紀的春秋戰國時期到公元15世紀長達2000年的時間內，中國在整個科學技術領域，無論是數學、天文學、物理學等理論自然科學方麵，還是在應用技術的發明創造上，始終居於世界的領先地位。究其原因，主要是由於我國古代的科學家們普遍享有思想上的自由，從春秋戰國直到宋元時期，在我國始終未能形成像伊斯蘭教、基督教國家那樣的政教合一的神學統治。因此，自先秦以來發達的自然科學和各種學術流派始終沒有象古希臘及中世紀的西方那樣遭受到嚴酷的摧殘。這正是科學發展的最重要的條件。