這件工作名義上以張文謙為首腦，但實際負責曆局事務和具體編算工作的是精通天文、數學的王恂。郭守敬由王恂的推薦，參加修曆，奉命製造儀器，進行實際觀測。
郭守敬首先檢查了大都城裏天文台的儀器裝備。渾儀是當年金兵攻破北宋的京城汴京（今河南開封）以後，搶到燕京來的。當初，大概一共搬來了3架渾儀。因為汴京的緯度和燕京相差約4度多，不能直接使用。金朝的天文官曾經改裝了其中的一架。這架改裝的儀器在元初也已經毀壞了。郭守敬就把餘下的另一架加以改造，暫時使用。
另外，天文台所用的圭表也因年深日久而變得歪斜不正。郭守敬立即著手修理，把它扶置到準確的位置。
這些儀器終究是太古老了，雖經修整，但在天文觀測必須日益精密的要求麵前，仍然顯得不相適應。郭守敬不得不創製一套更精密的儀器，為改曆工作奠定堅實的技術基礎。
古代在曆法製定工作中所要求的天文觀測，主要是兩類。一類是測定二十四節氣，特別是冬至和夏至的確切時刻；用的儀器是圭表。一類是測定天體在天球上的位置，應用的主要工具是渾儀。
1、改進圭表
圭表中的“表”是一根垂直立在地麵的標竿或石柱；“圭”是從表的跟腳上以水平位置伸向北方的一條石板。每當太陽轉到正南方向的時候，表影就落在圭麵上。量出表影的長度，就可以推算出冬至、夏至等各節氣的時刻。表影最長的時候，冬至到了；表影最短的時候，夏至來臨了。它是中國創製最古老、使用最熟悉的一種天文儀器。
這種儀器看起來極簡單，用起來卻會遇到幾個困難。
一是表影邊緣並不清晰。陰影越靠近邊緣越淡，到底什麼地方才是影子的盡頭，這條界線很難劃分清楚。影子的邊界不清，影長就量不準確。
二是使用圭表時的第二個難題就是測量影長的技術不夠精密。古代量長度的尺一般隻能量到分，往下可以估計到厘，即十分之一分。按照千年來的傳統方法，測定冬至時表影的長，如果量錯一分，就足以使按比例推算出來的冬至時刻有一個或半個時辰的出入。這是很大的誤差。舊圭表隻能觀測日影。星、月的光弱，舊圭表就不能觀測星影和月影。
對這些困難問題，唐、宋以來的科學家們已經做過很多努力，始終沒有很好地解決。郭守敬首先分析了造成誤差的原因，然後針對各個原因，找出克服困難的辦法。
首先，他想法把圭表的表竿加高到5倍，因而觀測時的表影也加長到5倍。表影加長了，按比例推算各個節氣時刻的誤差就可以大大減少。
接下來，他創造了一個叫做“景符”的儀器，使照在圭表上的日光通過一個小孔，再射到圭麵，那陰影的邊緣就很清楚，可以量取準確的影長。
然後，他還創造了一個叫做“窺幾”的儀器，使圭表在星和月的光照下也可以進行觀測。
最後，他還改進量取長度的技術，使原來隻能直接量到“分”位的提高到能夠直接量到“厘”位，原來隻能估計到“厘”位的提高到能夠估計到“毫”位。
郭守敬對圭表進行了這一係列的改進，解決了一係列的困難問題。這項工作大概完成於1277年夏天。這年冬天已經開始用它來測日影。因為觀測的急需，最初的高表柱是木製的，後來才改用金屬鑄成。現在河南省登封縣還保存著一座磚石結構的觀星台，其中主要部分就是郭守敬的圭表。這圭表與大都的圭表又略有不同，它因地製宜，就利用這座高台的一邊作為表，台下用36塊巨石鋪成一條長10餘丈的圭麵。當地人叫“量天尺”。
2、改進渾儀
渾儀至遲在公元前第二世紀就已由中國天文家發明了，唐、宋以來曆代都有發展。它的結構完全仿照著當時的人們心目中反映出來的那個不斷轉動著的天體圓球。在這圓球裏是許多一重套著一重的圓環。這些圓環有的可以轉動，也有不能旋轉的。在這些重重疊疊的圓環中間夾著一根細長的管子，叫做窺管。把這根細管瞄準某個星球，從那些圓環上就可以推定這個星球在天空中的位置。因為這個儀器的外形像一個渾圓的球，所以稱為渾儀。
渾儀是中國古代天文儀器中一件十分傑出的創作。歐洲要到16世紀左右，才有與中國北宋渾儀同樣精細的儀器。
渾儀的結構也有很大的缺點。一個球的空間是很有限的，在這裏麵大大小小安裝了七八個環，一環套一環，重重掩蔽，把許多天空區域都遮住了，這就縮小了儀器的觀測範圍。這是第一個大缺點。另外，有好幾個環上都有各自的刻度，讀數係統非常複雜，觀測者在使用時也有許多不方便。郭守敬就針對這些缺點作了很大的改進。
郭守敬改進渾儀的主要想法是簡化結構。他準備把這些重重套裝的圓環省去一些，以免互相掩蔽，阻礙觀測。那時候，數學中已發明了球麵三角法的計算，有些星體運行位置的度數可以從數學計算求得，不必要在這渾儀中裝上圓環來直接觀測。這樣，就使得郭守敬在渾儀中省去一些圓環的想法有實現的可能。
郭守敬隻保留了渾儀中最主要最必需的兩個圓環係統；並且把其中的一組圓環係統分出來，改成另一個獨立的儀器；把其他係統的圓環完全取消。這樣就根本改變了渾儀的結構。再把原來罩在外麵作為固定支架用的那些圓環全都拆除，用一對彎拱形的柱子和另外四條柱子承托著留在這個儀器上的一套主要圓環係統。這樣，圓環就四麵淩空，一無遮攔了。這種結構，比起原來的渾儀來，真是又實用，又簡單，所以取名“簡儀”。
簡儀的這種結構，同現代稱為“天圖式望遠鏡”的構造基本上是一致的。在歐洲，像這種結構的測天儀器，要到18世紀以後才開始從英國流傳開來。
郭守敬簡儀的刻度分劃也空前精細。以往的儀器一般隻能讀到一度的1／4，而簡儀卻可讀到一度的1／36，精密度一下子提高了很多。這架儀器一直到清初還保存著，後來被在清朝欽天監中任職的一個法國傳教士紀理安拿去當廢銅銷毀了。現在隻留下一架明朝正統年間（1436～1449年）的仿製品，保存在南京紫金山天文台。