我國天文學家很早就發現赤道（地球自轉時通過地心同自轉軸垂直的平麵，叫赤道）和黃道（古代稱太陽運行軌道為黃道，實際上是地球繞太陽公轉的軌道）的軌道平麵是不一致的，而且傾斜成一定交角，就是黃赤交角。測定這個交角是天文學最基本的數據之一，對天文曆法的推算很有關係。郭守敬經過反複仔細的觀察，重新測定的黃赤交角為23°33′34″，與近代用天體力學公式算出來的23°31′58″相比，誤差僅為1′36″。這是中國古代天文學家關於黃赤交角的最精確的數值，為18世紀法國天文學家拉普拉斯論證關於黃道傾角交易性的理論提供了證據。
最後是編曆。郭守敬以對大都三年半約200次的晷影測量數據，進行科學推算，得出一個太陽回歸年的長度為365.2425日，這個數值精確到比地球繞太陽公轉一周的實際時間，隻差26秒，經過3320年後才相差一日。這就為編曆提供了可靠的基礎。郭守敬依據自己觀測的結果，吸收以往曆法的長處，經過精密計算，終於修成一部新曆。忽必烈賜名《授時曆》，這是取古籍《尚書·堯典》中“敬授人時”，即敬告人民以農時的意思，於1280年頒行天下。《授時曆》一年的周期與現行公曆（格裏高利曆）相同，但比現行公曆的確立早300年。《授時曆》還應用數學上的招差法推算太陽、月亮以及五星的運動和位置，比歐洲早了將近400年。《授時曆》共施行了364年，是我國古代最精密和使用時間最長的曆法，還傳到了朝鮮、越南等國。日本的《大和曆》也是在《授時曆》的基礎上製訂的。
1291年，忽必烈重新設置都水監，加強水利事務，交郭守敬領導。這一時期郭守敬最主要的貢獻是於1293年主持開鑿了通惠河。他幾經勘測，決定在大都西北修建一條長達30公裏的白浮堰，把昌平以南神山附近的白浮泉引進大都城，然後利用舊有運糧河道順流東下，到通州（今北京通州區）和大運河銜接起來。為了解決河床傾斜坡度問題，他又設法用水閘、鬥門20座來調節水位和控製流量。這樣，運糧船隻就能沿著這條160餘裏長的通惠運河，直接駛入大都的積水潭（今北京什刹海），對促進南北經濟文化交流起了積極作用。
由於郭守敬在天文、曆法、水利、數學等方麵都有成就，朝廷不準他卸職退休，任事直到86歲去世時為止。郭守敬作為傑出科學家，在世界天文學史上具有不可磨滅的地位。1970年，國際天文學會曾命名月球背麵的一座環形山為郭守敬山。1977年7月，中國科學院紫金山天文台把該台發現的得到國際上確認的一顆小行星命名為“郭守敬星”。
很多科學家都強調勘測的作用，正如後來郭守敬在編定新曆法時說的“曆之本，在於測驗”。可見，在一些科學實踐中，測量是關鍵，沒有測量，其他什麼都是空對空。