在製造渾象以前，他們還造了一架黃道遊儀。這架黃道遊儀是在李淳風渾天黃道儀的基礎上，把三辰儀中的赤道環打了孔，使黃道可以沿赤道移動，以改正歲差。一行利用這架儀器，觀測了150多顆恒星的位置，發現前代星圖、星表和渾象上所載的恒星位置有很大變化，當時一行對此未做解釋。現在知道，這些變化主要是由歲差引起的。
在觀測恒星的同時，一行派南宮說等人分別到11個地方測量北極的地平高度和春分、秋分、夏至、冬至日正午時圭表的日影長度。南宮說在河南的滑縣、開封、扶溝、上蔡4個地方分別測量了日影長度和北極高度，並且在地麵上測量了這4個地方的距離。結果發現，從滑縣到上蔡的距離隻有526.9唐裏，但夏至時日影相差2.1寸，這一實際測量的結果徹底推翻了“日影千裏差一寸”的傳統說法。不僅如此，一行還把南宮說和其他人在別的地方觀測的結果相比較，進一步發現影差和南北距離的關係根本不是成比例的，於是他改用北極高度的差計算出地上南北相去351.27唐裏，北極高度相差1度。這個數值雖然誤差很大，卻是世界上第一次對子午線進行的實測，更重要的是，一行從方法論上批判了前人計算天的大小的錯誤。
一行質問：“宇宙之廣，豈若是乎？”這種對方法論的批判刹住了計算宇宙大小的風氣，並使文學家柳宗元受到了影響。柳宗元在和劉禹錫的通信中曾經討論過一行的工作，柳宗元把宇宙無限論推向新的高峰，他認為宇宙既沒有邊界，也沒有中心：“無青無黃，無赤無黑，無中無旁，烏際乎天則！”他的意思是說，天既沒有青、黃、赤、黑各種顏色之分，也沒有中心和邊緣之別，怎麼能把它劃分成幾部分呢？在文中，柳宗元不但深刻地揭示了宇宙的無限性，而且明確地指出在無限的宇宙中，矛盾變化是無窮的，陰陽二氣時而合在一起，時而又分離開來，有時互相吸引，有時互相排斥，就像旋轉著的車輪或機械，時刻不停。
車輪在進行了大量的觀測今後，一行於開元十五年完成《大衍曆》初稿，去世後，由其繼承者於第二年定稿。《大衍曆》以定氣編太陽運動表，即以太陽在一個回歸年內所行度數平分為24等分，太陽每到一個分點為一個節氣，兩個節氣之間的時間是不等的。為了處理這個問題，一行發明了不等間距二次差內插法。在計算行星的不均勻運動時，《大衍曆》使用了具有正弦函數性質的表格和含有三次差的近似的內插公式。《大衍曆》把全部計算項目歸納成“步中朔”等七篇，成為後代曆法的典範。
唐代後期和五代時期的曆法中頗具聲名的還有長慶二年頒行的《宣明曆》和建中年間流行於民間的《符天曆》。
徐昂的《宣明曆》在日食計算方麵取得了很大的成就，提出時差、氣差、刻差三項改正，把因月亮周日視差而引起的改正項計算更向前推進一步。曹士苟的《符天曆》廢除上元積年，以10000為天文數據的分母，這兩項改革大大簡化了曆法的計算步驟，也使這個曆法在民間受到歡迎，但它被統治階級視為“小曆”，不予采用。後晉天福四年頒行的《調元曆》，不采用上元積年，使用了5年，後在遼又用了40年，直到元朝的《授時曆》出現，才完全實現了這兩大改革。
閱讀一本不適合自己閱讀的書，比不閱讀還要壞。——別林斯基
宋初到明末的天文學經過了唐末的藩鎮割據和五代十國，中國的混亂以宋的建立而告結束，中國的封建經濟在宋代得到進一步的發展。生產的發展又大大地推動了科學的前進，被馬克思譽為“最偉大的發明”的火藥、印刷術和指南針，就是中國人在宋末完成的。作為自然科學之一的天文學在這一時期也取得許多重要成就。
1006年和1054年超新星出現的記載，特別是1054年的超新星記錄成為當代天文學研究中極受重視的資料。在這顆超新星出現的位置上，現在出現一個蟹狀星雲，這個蟹狀星雲是當代最感興趣的研究對象之一。