忽必烈又特地召見郭守敬，對他說：“國師劉秉忠一生有誌於修改舊曆，不幸早逝。臨終時仍念念不忘這件事。你是國師的門生，理應擔負此重任，完成他未竟的大業。”郭守敬說：“陛下，臣定萬勞不辭，嘔心瀝血，編製新曆。請陛下放心！”並建議說，“編製曆法要靠實地測驗。測驗靠儀器，而我們現在的儀器都很簡陋。像司天渾儀，是二百多年前宋仁宗皇祜年間，在汴京（今開封）製造的，與當今大都靈台（即天文台）的天度不相符合。測算南北極，大約誤差四度。這些儀表古老陳舊，不可靠，需要重新製造。”
忽必烈同意了郭守敬的意見。並命張文謙與樞密張易、左臣許衡等，幫助郭守敬和王恂辦好這件事情。
郭守敬自己動手，重新製造和改製天文儀器。他針對渾儀的缺點，製造了一種新的儀器——簡儀。
元以前的渾儀很複雜。用它測量天體的赤道坐標、黃道坐標和地平線坐標的讀數，每個係統都要有一個專門的圓環。這樣，就有八九個大大小小的圓環相套，不但移動不方便，而且也妨礙觀察。郭守敬大膽改造，精簡了黃道坐標，而把赤道坐標和地平坐標分製成兩個獨立的裝製：一個是赤道裝置，一個是地平裝置。這兩個裝置構造既簡單，使用又方便。
另外，郭守敬還製造了日食儀，月食儀，候極儀，日晷定時儀，日出永短圖，量天尺（現完好地保存在河南登封郜城觀星台）、以及玲瓏儀、靈台水渾等，二十多種觀測天象和表演天象的儀器。
一天，郭守敬把製成的儀器（包括量天尺模型。量天尺是大型天文儀器建築，不能搬移），一件件都擺在官內，請忽必烈過目。忽必烈很有興致地看著，不時地問著。郭守敬詳細地介紹每種儀器的原理和作用。忽必烈聽得津津有味，簡直入了迷。他整整不知疲倦地看了一天。
第二天，忽必烈在太和殿召集文武大臣，盛讚郭守敬學問淵博，製作精巧，有創造精神。
郭守敬奏道：“唐代天文學家一行法師，在開元年間，叫南宮說測量日影。從書中的記載看，當時在全國設有十三個觀測點。現在，我們的疆域比唐代大多了。假若不設更遠更多一些的觀測點，則全國各處日月交食的時間不同，白天黑夜長短不一樣，各地與日月星辰的距離遠近不等，這就測驗不準。要想測準確，需在全國建造二十七個觀測站，派人日夜守候。”
忽必烈非常支持他的意見，馬上任命了十四名監候官，到各地觀測點去，建站進行工作。郭守敬就以河南登封觀星台為中心台站，東到高麗（今朝鮮），西去滇池（今雲南晉寧縣東），南過朱崖（今廣東瓊山東南），北至鐵勒（在北極圈附近，相當於今蘇聯圖拉河到黑海一帶），縱橫四海，跋山涉水，踏爛鐵鞋，風餐露宿，在全國範圍內，展開了規模宏大的測驗活動。
郭守敬不辭勞苦，奔波於全國各地的觀察站，收集第一手資料，日日夜夜守候在觀測儀旁。經過四年的辛勤勞動，終於在1280年編成了新曆。忽必烈親賜名為《授時曆》。
1281年，《授時曆》正式頒行全國。《授時厲》推算出：一年為365日5小時49分12秒。它比今天我們測量出來的地球繞太陽一周的時間隻差26秒，這是世界曆法史上的第一次準測。《授時曆》比國際上通行的格利哥裏曆早三百年！
元世祖忽必烈雖然出身於文化發展比較落後的蒙古民族，但他的思想非常先進，一進入中原，就將接觸到的中原地區先進的文化和科技向蒙古地區傳播。他認識到了蒙古民族文化和科技的落後，因此，即位之後迅速做出決定，積極采取措施，促進蒙漢民族的融合，大力發展科技和文化，取得了舉世矚目的成就，使其在中國科技文化發展的道路上起到了重要作。
八思巴就是一個重要的人物，他本是土蕃（藏族）薩斯迦人，出生於佛教世家，七歲的時候就能誦讀數十萬字的佛經，國人們都將他稱為“聖童”，因此家人就給他取名為“八思巴”（“聖者”的意思）。
窩闊台在位的時候，蒙古發動了對西藏地區的戰爭，八思巴的伯父薩斯迦·班彌怛·功嘉監藏代表西藏地區的僧俗人民向蒙古表示歸順，從此，他們就和蒙哥汗與忽必烈等人往來密切。1253年，忽必烈親征大理，勝利凱旋，八思巴在六盤山謁見忽必烈，對答如流，深受忽必烈喜愛。後來，忽必烈讓他管理天下佛教和西藏地區政務。
蒙古初興之時，沒有文字，據《蒙韃備錄》、《黑韃事略》、等書記載，那時，凡發命令，遣使往來，皆用口傳或刻木記事，很不方便。成吉思汗攻滅乃蠻，擄獲了乃蠻的掌印官塔塔統阿。塔塔統阿精通畏兀兒（維吾爾）文字，成吉思汗就讓他創製蒙古文字。塔塔統阿受任之後，以畏兀兒字母書寫蒙古語言，用來教育成吉思汗的子侄等，正式創立了畏兀兒字體的蒙古文字，後世稱為回鶻式蒙古文。但這種文字簡略，表情達意不能盡如人意，用起來不算太方便。後來，成吉思汗又用金國降臣幫助他用漢字書寫對金對宋公文，在其他少數民族中仍然使用本民族文字，如契丹文、女真文、畏兀兒文以及波斯文等。這種情況，不利於突出蒙古人的特殊地位，不利於民族文化的發展，也不利於大蒙古國的統治。
忽必烈即位以後，充分意識到這一問題，他說：“我國家肇基朔方，俗尚簡古，未遑製作，凡施用文字，因用漢楷及畏吾字，以達本朝之言。考諸遼、金，以及遐方諸國，例各有字，今文治寢興，而字書有缺，於一代製度，實為未備”。因此，特任命八思巴重新創製蒙古文字，以便能夠“譯寫一切文字，期於順言達事”。
八思巴受任之後，遍閱藏文、畏兀兒文和漢文字書，仿照藏文字母創造了蒙古新字字母41個（後來又增加2個字母），行款仿照畏兀兒文字，以音節為單位自上向下拚寫，行序從左到右。八思巴創製的蒙古新字是一種拚音文字，這些拚音字母按相關字母組合成新字的，叫韻關之法；以二合、三合、四合組成新字的，叫語韻之法。41個字母按不同的方式組合，可以組成新字1000多個。用這種蒙古新字拚寫蒙古語，比原來的畏兀兒字準確得多。比如，畏兀兒體蒙古文，一個讀s音的字母，又可以讀作sh、ds、c、z、zh，一字六音，太容易混淆。而在八思巴創製的蒙古新字中，這六個音是用六個字母表示的，分得很清楚。用這種蒙古新字來拚寫漢語，就當時的水平來說，也是比較精確的。
八思巴創製蒙古新字以後，上奏忽必烈，忽必烈見了新字，非常喜歡，當即定名為“蒙古新字”。至元六年（1269年），忽必烈下詔以新製蒙古字頒行天下，規定，“自今以往，凡有璽書頒降者，並用蒙古新字，仍備以其國字副之”。後來又下詔，禁止把這種蒙古字稱作“新字”，隻稱“蒙古字”，目的是要確立這種蒙古新字唯一的合法地位。八思巴所創製的這種蒙古新字，後人習慣上稱為“八思巴字”。
八思巴字是中國曆史上第一個拚音方案，其字母表的設計，特別是它的整個文字係統的建立，都是中國文字史上的一個創舉，在中國民族文字史上占有重要地位。
八思巴文字是由忽必烈親自提出，並在他的直接關懷下創製成功的，是忽必烈以武力平天下轉向以文治國的措施之一。八思巴字創製以後，他大力推廣，至元六年（1269年）七月，在諸路設置蒙古字學，第二年設蒙古字學教授。至元八年（1271年）又立京師蒙古國子學，以八思巴字教習諸生，於隨朝蒙古、漢人百官及怯薛官員的子弟中選拔學員，用八思巴文譯寫《通鑒節要》，作為教本等。忽必烈在推行八思巴字的同時，並不禁止蒙古等其他少數民族人員學習漢文，當時，許多蒙古人對漢文都很精通。
忽必烈任用八思巴創製蒙古新字，方便了蒙古族的政治、經濟、文化交往和經驗傳播，促進了民族教育的發展，特別是為蒙古族經濟、文化的發展做出了重要貢獻。
元曲與唐詩、宋詞齊名，共同成為我國文學史上的瑰寶，名揚古今中外。
一般認為，元曲的發展分為前後兩個時期，前期格調清新，最為興盛活躍，後期則遠遠不及。即是說，元曲的最高成就在元代前期。元曲前期的主要代表人物是關漢卿、王實甫、白樸、馬致遠四大家，其中，關漢卿死於1300年，比忽必烈晚死6年，毫無疑問，與忽必烈是同時代人；王實甫雖然生卒年不詳，但從零星史料分析，可知他是由金入元之人，主要活動在忽必烈時期；白樸大約死在1306年，在忽必烈死後又活了12年，其元曲創作的輝煌時期亦當在忽必烈時期；唯有馬致遠死的晚一些，大約在1321年左右，比忽必烈晚死了27年，但他在忽必烈統治時期正值10-45歲風華正茂的時期，其主要成就恐怕也在這一時期。因此，我們可以毫不誇張地說，元曲發展的最高峰是在忽必烈統治時期。尤其是關漢卿，他基本上與忽必烈同時代，所取得的主要成就都在忽必烈時期，可以確信無疑。關漢卿是大都人，終生從事雜劇創作，被譽為“梨園領袖”、“編修帥首”、“雜劇班頭”。他才高風流，能吟詩寫畫，會彈琴吹簫，也能歌唱舞蹈，有時心血來潮，親自登場演出，是一個能編、能導、能演的大戲劇家。
他一生寫了60多種劇本，現存10多種，其中，《竇娥冤》是他最出色的代表作。
《竇娥冤》的思想性和藝術性都極高，受到各國人民的喜愛，早在1838年就被澤成法文傳播到歐洲各地，後來又有日譯本，原蘇聯還演出過全劇。關漢卿本人也被列為世界文化名人而載入世界史冊。
王實甫、白樸、馬致遠的成就也很高，名揚海外。
忽必烈時期，元曲為什麼會取得如此偉大的成就，固然是關漢卿等劇作家努力的結果，但與忽必烈的統治政策也不無關係。
由於忽必烈實行了一係列發展經濟的措施，使元初的農業、手工業，特別是城鎮經濟有了一定程度的發展，這就為元曲的繁榮準備了充裕的物質條件。適應統治階級欣賞宴樂和廣大市民的文化要求，南北各大城市都出現了大批的伎藝人和集中演出的勾欄瓦肆，特別是大都和杭州，最為興盛。同時，農村也經常開展戲曲活動，節日、廟會等成為農村的演出日，一些著名演員也經常到各地作場。元曲的這種繁榮隻有在天下安定、經濟發展的形勢下才會出現。這種天下安定、經濟發展的形勢與忽必烈精心治國是分不開的。
忽必烈建立的元朝，疆域遼闊，民族眾多。忽必烈雖然把人分成四等，但不反對民族間的交往、學習、通婚和融合。正是在民族不斷交往的形勢下，漢族、女真族、蒙古族等各民族的樂曲逐漸融彙，才出現了元曲這一新興的文學藝術形式。據專家研究，元曲雖是在唐詩宋詞的基礎上發展而來，但吸收了許多契丹人、女真人、蒙古族的樂曲和文學精華，到了忽必烈建立元朝，正好為這種民族文化融彙提供了前所未有的社會條件，促使元曲迅速走向繁榮。