天文學在我國有著悠久的曆史，早在3000多年前殷商時期的甲骨卜辭裏，就有許多關於天文學現象的記載。在其後各朝代中，我國古代天文學又得到長足進步，其中元代對中國古代天文學發展作出過巨大的貢獻。元代天文學，一方麵繼承了前人豐富的天文學成果，另一方麵又吸收了阿拉伯世界的天文學知識。在繼承和吸收的基礎上，經過元代傑出的天文學家郭守敬、王恂等人辛勤的勘測和實驗，不但創製了大批天文觀測儀器，舉行了大規模天文觀測活動，而且在此基礎上成功地編製了我國古代最卓越的一部曆法—《授時曆》。
建設天文台
天文學的發展離不開天文台的興建，元代在上都（今內蒙古正藍旗境內）、大都（今北京）和登封（今河南登封）等地修建了多處天文台。
1、大都天文台
至元九年（1272），世祖忽必烈決定遷都大都，他到達大都後，積極網羅天文人才，於至元十六年（1279）批準修建大都天文台，地點選擇東城牆下（今北京建國門外滄子河北），由太史院主管。台高7丈，分為3層，院牆長約123米，寬約92米。大都天文台上層為天文觀測台；中層放置圖書資料及星圖、渾象、計時漏壺及室內儀器；下層為太史院辦公地點。大都天文台是一座規模宏大、工作人員眾多、設計周密、設備完善的天文台。
2、上都司天台
至元八年（1271），世祖在上都主持興建了上都天文台，並任命阿拉伯天文學家紮馬魯丁負責具體工作，地點位於上都故城北門。上都天文台東西長132米，南北寬52米，高約12米，平麵呈凹字形。它的兩側和城牆連成一體，為整個城垣的組成部分，但高於城牆，後壁突出牆各約1米。與大都天文台相比，這顯然是一座風格迥異的天文台。而且紮馬魯丁製造的置於天文台的7件天文儀器也明顯帶有西域特色，與中國傳統天文儀器有所不同。
上都司天台的這些儀器之所以重要，是因為它們是中國和阿拉伯天文學交流的產物。如果當時元朝統治者能夠組織中國和西域天文學家一起研究這些儀器，並將必要的阿拉伯文譯成漢語，上都天文台及這些西域儀器必定能發揮更大的作用。但元朝統治者並未這樣做，所以上都司天台的這些儀器所產生的影響並不大。
3、登封天文台
登封天文台位於今河南登封縣告成鎮，始建於元朝初年，至今保存得較好，是中國現存最早的古天文台建築，也是世界上重要的天文古跡之一。觀星台的結構分兩部分，一是由回旋踏梯簇擁著高聳的台身，二是由台身北壁凹槽內向北平鋪的矽。台身呈覆鬥狀，高9.46米，連小室通高12.62米，台頂平麵呈方形，每邊長8米多，底邊16米多。台北壁正中的凹槽進壁是測量日影的“圭表”。
元朝政府除了修建了上都、大都和登封天文台之外，還在各地建了大小不等的多處天文台。各地天文台的修建對整個元代天文事業的發展起了舉足輕重的作用。
精美絕倫的天文儀器
古代天文學研究的主要內容是對日、月和金、木、水、火、土五星的運動規律的探討，也包括探討以恒星為標誌的天體運動規律。這離不開精確的天文數據和縝密的分析。可靠數據的來源自然是精密的天文儀器。元代傑出的天文學家郭守敬曾提出“曆之本在於測驗，而測驗之器莫先儀器”。也就是說天文觀測的前提是創造先進的天文儀器。為此，郭守敬創製了各類觀測儀器達13種之多，包括用於天體方位的測量、日影測量、時間測量、天象演示的設備以及便於野外觀察的輕便儀器，著名的有簡儀、仰儀、圭表等。
簡儀是對前人渾天儀的簡化和改進。它是模擬天球，測量日、月和金、木、水、火、土五星及恒星位置的一種天文儀器。元朝以前所使用的渾天儀，將赤道座標、地平座標和黃道座標三個不同部件置於一個係統內，有七八個大小環，環環相套，在觀測時妨礙視線。郭守敬創製的簡儀精簡了黃道座標，隻保留了一個測赤道坐標和一個測地平坐標的兩套觀察用環。這與現代望遠鏡所用的英國式裝置很相似。改進後的簡儀精確程度更高。簡儀是我國天文學上的珍品，比世界同類儀器要早三四百年；而且，簡儀中應用的滾珠軸承裝置，比西方發明的滾珠軸承裝置要早400年。至今簡儀尚存有明代的複製品。
仰儀是元代創製的一種天文儀器，用來測量太陽位置，日食方向、虧缺及時刻。它是銅製空心球麵儀器，半球麵刻有東南西北四方位和十二時辰，還刻有與觀察地球緯度相應的赤道坐標。太陽光通過半球上一塊帶孔的板投下一個倒映象在坐標上，即可讀出太陽在天空的位置，可稱得上是世界上第一台太陽投影觀察儀。它改仰觀為俯視，減小了太陽直視時日照耀眼之苦，而且不容易疲乏，也是一種完全創新的天文儀器。
圭表由“圭”和“表”兩個部件構成。“表”是垂立在地麵上的標杆，“圭”是表下向正北方向延伸的一條石板。“圭”與“表”成垂直狀。圭表是用以觀察正午時太陽影子的長度，以測定時間，求得周年常數、黃赤道交角，劃分四季以及編製曆法所用的天文儀器。郭守敬曾在大都建立了高達40尺的銅表，與應用針孔成像原理的景符聯用，除了測量太陽正午時的影長外，還可以用於觀測星星、月亮的影長。這在古代是無以倫比的。現今河南登封告成鎮尚存有元代的觀星台的石圭，觀測天文的效果仍然很好。