郭守敬用這架簡儀作了許多精密的觀測，其中的兩項觀測對新曆的編算有重大的意義。
一項是黃道和赤道的交角的測定。赤道是指天球的赤道。地球懸空在天球之內，設想地球赤道麵向周圍伸展出去，和天球邊緣相割，割成一個大圓圈，這圓圈就是天球赤道。黃道就是地球繞太陽作公轉的軌道平麵延伸出去，和天球相交所得的大圓。
天球上黃道和赤道的交角。就是地球赤道麵和地球公轉軌道麵的交角。這是一個天文學基本常數。這個數值從漢朝以來一直認定是24°，1000多年來始終沒有人懷疑過。實際上這個交角年年在不斷縮減，隻是每年縮減的數值很小，隻有半秒，短期間不覺得。可是變化雖小，積累了1000多年也就會顯出影響來的。黃、赤道交角數值的精確與否，對其他計算結果的準確與否很有關係。
因此，郭守敬首先對這沿用了千年的數據進行檢查。果然，經他實際測定，當時的黃、赤道交角隻有23°90′。這個是用古代角度製算出的數目。古代把整個圓周分成1365度，1度分作100分，用這樣的記法來記這個角度就是23°90′。換成現代通用的360°製，那就是23°33′23.3″。根據現代天文學理論推算，當時的這個交角實際應該是23°31′58.0″。郭守敬測量的角度實際還有1′25.3″的誤差。
另一項觀測就是二十八宿距度的測定。中國古規代在測量二十八宿各個星座的距離時，常在各宿中指定某處星為標誌，這個星稱為“距星”。因為要用距星作標誌，所以距星本身的位置一定要定得很精確。從這一宿距星到下一宿距星之間的相距度數叫“距度”。這距度可以決定這兩個距星之間的相對位置。
二十八宿的距度，從漢朝到北宋，一共進行過五次測定。它們的精確度是逐次提高的。最後的次在宋徽宗崇寧年間（1102～1106年）進行的觀測中，這二十八個距度數值的誤差平均為0.15°，也就是9′。到郭守敬時，經他測定的數據，誤差數值的平均隻有4.5′，比崇寧年間的那一次降低了一半。在編訂新曆時，郭守敬提供了不少精確的數據，這是新曆得以成功的一個重要原因。
3、創造仰儀
仰儀是一個銅製的中空的半球麵，形狀像一口仰天放著的鍋，半球的口上刻著東西南北的方向，半球口上用一縱一橫的兩根竿子架著一塊小板，板上開一個小孔，孔的位置正好在半球麵的球心上。太陽光通過小孔，在球麵上投下一個圓形的象，映照在所刻的線格網上，立刻可讀出太陽在天球上的位置。人們可以避免用眼睛逼視那光度極強的太陽本身，就看明白太陽的位置，這是很巧妙的。
更奇妙的是，在發生日食時，仰儀麵上的日象也相應地發生虧缺現象。這樣，從仰儀上可以直接觀測出日食的方向，虧缺部分的多少，以及發生各種食象的時刻等等。雖然伊斯蘭天文家在古時候就已經利用日光通過小孔成象的現象觀測日食，但他們隻是利用一塊有洞的板子來觀測日麵的虧缺，幫助測定各種食象的時刻罷了，還沒有像仰儀這樣可以直接讀出數據的儀器。
王恂、郭守敬等同一位尼泊爾的建築師阿你哥合作，在大都興建了一座新的天文台，台上就安置著郭守敬所創製的那些天文儀器。它是當時世界上設備最完善的天文台之一。
由於郭守敬的建議，蒙古統治者派了14位天文家，到當時國內26個地點（大都不算在內），進行幾項重要的天文觀測。在其中的6個地點，特別測定了夏至日的表影長度和晝、夜的時間長度。這些觀測的結果，都為編製中國適用的曆法提供了科學的數據。這一次天文觀測的規模之大，在世界天文學史上也是少見的。
經過王恂、郭守敬等人努力，到1280年春天，一部新的曆法宣告完成。按照“敬授民時”的古語，取名“授時曆”。同年冬天，正式頒發了根據《授時曆》推算出來的下一年的日曆。
《授時曆》頒布不久，王恂就病逝了。那時候，有關這部新曆的許多算草、數表等都還是一堆草稿，不曾整理。最後的整理定稿工作全部落到郭守敬的肩上。他花了兩年多的時間，把數據、算表等整理清楚，寫出定稿。其中的一部分就是《元史·曆誌》中的《授時曆經》。
在《授時曆》裏，有許多革新創造的成績。第一，廢除了過去許多不合理、不必要的計算方法，例如避免用很複雜的分數來表示一個天文數據的尾數部分，改用十進小數等。第二，創立了幾種新的算法，例如三差內插內式及合於球麵三角法的計算公式等。第三，總結了前人的成果，使用了一些較進步的數據，例如采用南宋楊忠輔所定的回歸年，以一年為365.2425日，與現行公曆的平均一年時間長度完全一致。
王恂去世不久，郭守敬升為太史令。在以後的幾年間，他又繼續進行天文觀測，並且陸續地把自己製造天文儀器、觀測天象的經驗和結果等極寶貴的知識編寫成書。他寫的天文學著作共有百餘卷之多。然而蒙古統治者雖然支持了改曆的工作，但限於文化水平不高，隻是把郭守敬的天文著作統統鎖在深宮秘府之中。
他晚年的活動除了在1298年建造了一架天文儀器——靈台水渾以外，就再沒有別的重大創製和顯著表現了。
1316年，郭守敬去世，享年86歲。
為紀念郭守敬的功績，邢台市最主要的一條街道命名為“郭守敬大街”。人們將月球背麵的一環形山命名為“郭守敬環形山”，將小行星2012命名為“郭守敬小行星”。