元代天文学，一方面继承了前人丰富的天文学成果，另一方面又吸收了阿拉伯世界的天文学知识。在继承和吸收的基础上，经过元代杰出的天文学家郭守敬、王恂等人辛勤的勘测和实验，不但创制了大批天文观测仪器，举行了大规模天文观测活动，而且在此基础上成功地编制了中国古代最卓越的一部历法—《授时历》。
建设天文台
天文学的发展离不开天文台的兴建，元代在上都（今内蒙古正蓝旗境内）、大都（今北京）和登封（今河南登封）等地修建了多处天文台。
1.大都天文台
至元九年（1272），世祖忽必烈决定迁都大都，他到达大都后，积极网罗天文人才，于至元十六年（1279）批准修建大都天文台，地点选择东城墙下（今北京建国门外沧子河北），由太史院主管。院墙长约123米，宽约92米，台高7丈，分3层。上层为天文观测台；中层放置图书资料及星图、浑象、计时漏壶及室内仪器；下层为太史院办公地点。大都天文台是一座规模宏大、工作人员众多、设计周密、设备完善的天文台。
2.上都司天台
至元八年（1271），世祖决定在上都兴建上都天文台，并任命阿拉伯天文学家扎马鲁丁负责具体工作，地点位于上都故城北门。上都天文台东西长132米，南北宽52米，高约12米，平面呈凹字形。它的两侧和城墙连成一体，为整个城垣的组成部分，但高于城墙，后壁突出墙各约1米。与大都天文台相比，这显然是一座风格迥异的天文台。而且扎马鲁丁制造的置于天文台内的7件天文仪器也明显带有西域特色，与中国传统天文仪器有所不同。
上都司天台的这些仪器之所以重要，是因为它们是中国和阿拉伯天文学交流的产物。如果当时元朝统治者能够组织中国和西域天文学家一起研究这些仪器，并将必要的阿拉伯文译成汉语，上都天文台及这些西域仪器必定能发挥更大的作用。但元朝统治者并未这样做，所以上都司天台的这些仪器所产生的影响并不大。
3.登封天文台
登封天文台位于今河南登封县告城镇，始建于元朝初年，至今保存得较好，是中国现存最早的古天文台建筑，也是世界上重要的天文古迹之一。观星台的结构分两部分，一是由回旋踏梯簇拥的高耸的台身，二是由台身北壁凹槽内向北平铺的石圭。台身呈覆斗状，高9.46米，连小室通高12.62米，台顶平面呈方形，每边长8米多，底边16米多。台北壁正中的凹槽进壁是测量日影的“圭表”。
元朝政府除了修建了上都、大都和登封天文台之外，还在各地建了大小不等的多处天文台。各地天文台的修建对整个元代天文事业的发展起了举足轻重的作用。
精美绝伦的天文仪器
古代天文学研究的主要内容是对日、月和金、木、水、火、土五星的运动规律的探讨，也包括探讨以恒星为标志的天体运动规律。这离不开精确的天文数据和缜密的分析。可靠数据的来源自然是精密的天文仪器。元代杰出的天文学家郭守敬曾提出“历之本在于测验，而测验之器莫先仪器”。也就是说天文观测的前提是创造先进的天文仪器。为此，郭守敬创制了各类观测仪器达13种之多，包括用于天体方位的测量、日影测量、时间测量、天象演示的设备以及便于野外观察的轻便仪器，著名的有简仪、仰仪、圭表等。
简仪是对前人浑天仪的简化和改进。它是模拟天球，测量日、月和金、木、水、火、土五星及恒星位置的一种天文仪器。元朝以前所使用的浑天仪，将赤道坐标、地平坐标和黄道坐标三个不同部件置于一个系统内，有七八个大小环，环环相套，在观测时妨碍视线。郭守敬创制的简仪精简了黄道座标，只保留了一个测赤道坐标和一个测地平坐标的两套观察用环。这与现代望远镜所用的英国式装置很相似。改进后的简仪精确程度更高。简仪是中国天文学上的珍品，比世界同类仪器要早三四百年；而且，简仪中应用的滚珠轴承装置，比西方发明的滚珠轴承装置要早400年。至今简仪尚存有明代的复制品。
仰仪是元代创制的一种天文仪器，用来测量太阳位置，日食方向、亏缺及时刻。它是铜制空心球面仪器，半球面刻有东南西北四方位和十二时辰，还刻有与观察地球纬度相应的赤道坐标。太阳光通过半球上一块带孔的板投下一个倒映像在坐标上，即可读出太阳在天空的位置，可称得上是世界上第一台太阳投影观察仪。
圭表由“圭”和“表”两个部件构成。“表”是垂立在地面上的标杆，“圭”是表下向正北方向延伸的一条石板。“圭”与“表”成垂直状。圭表是用以观察正午时太阳影子的长度，以测定时间，求得周年常数、黄赤道交角，划分四季以及编制历法所用的天文仪器。郭守敬曾在大都建立了高达40尺的铜表，与应用针孔成像原理的景符联用，除了测量太阳正午时的影长外，还可以用于观测星星、月亮的影长。这在古代是无与伦比的。现今河南登封告城镇尚存有元代的观星台的石圭，观测天文的效果仍然很好。
领先世界的天文观测
唐玄宗开元年间，天文学家僧一行曾在全国设置了13个天文观测站，主持过一系列的天文观测活动，并取得一些成果。然而，就规模与成果而言，都无法与元朝相提并论。元代疆域空前广大，为元朝政府主持天文观测提供了良好的条件。郭守敬领导进行了一次规模空前的纬度测量，在东起朝鲜半岛，西到川滇与河西走廊，南近占城，北穷铁勒，陆续建立了27个日影测量站进行观测。史书称之为“四海测验”。由于这个观察网络除分布在各地大城市外，还在北纬15度～65度每隔10度设置了观察点，因此它所取得的数据，准确性十分高，与现代纬度值比较，绝大多数平均误差在半度以内。
黄道面与赤道面相夹的角度即今天所称的“黄赤交角”，为天文学中最基本的数据之一，许多历法计算上的问题都要用到这个数据。在元代以前，测得的数据不是很精确，长期以来都认为黄赤交角为24度。郭守敬利用新的天文仪器对黄赤交角进行重新测量，得出黄赤交角为“二十三度九十分”的数据，换算为现今的度数是23度33分53秒，与现代的观测值相差仅仅1分6.8秒。这在当时世界上无疑是最精确的。
二十八星宿是中国古代测量恒星位置的基础。当时人们将黄道附近的星星分为二十八宿，用一星代表一宿。两星间的距离称为“距度”。元以前曾进行过5次测距，但误差仍很大。经过郭守敬精密的测定后，精确程度大大提高，其绝对误差总和为2度10分，平均误差只有4分5秒。郭守敬还观测到前人未曾命名的1000多颗新星，使元代能观测的星宿达到将近2500颗。而欧洲在文艺复兴之前所能测量到的星星也不过1022颗。
集古代历法之大成的《授时历》
实际上，元代天文学是在编订新历法《授时历》的过程中得到发展的。全国统一以后，忽必烈在至元十三年（1276）正月设立太史局，把编制历法作为统一王朝的一项重大举措。太史局由太子赞善兼国子祭酒王恂负责。王恂奏准起用告病还乡的原左丞许衡参领其事，郭守敬也被任命协助工作。在编制历法的过程中，许衡负责理论性的指导，实际工作则由王恂和郭守敬分别负担。经过4年的努力，在至元十七年（1280）冬至，新历告成，忽必烈赐名为《授时历》，意即“敬授民时”。《授时历》的编成是中国古代天文学上的一大突破，用郭守敬自己的话来说，就是“考正者七事”、“创法者五事”，即考证了七项天文数据和计算出五项新的数据：
七项天文数据。一是至元十三年到至元十七年（1276～1280）的冬至时刻。二是冬至日太阳的位置。三是月亮过近地点的时刻。四是回归年长度及岁差常数，一年为365.2425日。这个数值首先是由宋朝杨忠辅得出的。郭守敬收集了从南朝宋大明元年到至元十五年（457～1278）800余年的冬至时刻，求得一个回归年长为365.2425日，证实了365.2425日是历史上所使用的最精密的数据。这个数据与地球公转的周期只相差26秒，与1582年罗马教皇格利高里所颁行的迄今仍为世界通用的格利高里历完全一致，但它的出现却比欧洲早300年。五是冬至前月亮过升交点的时刻。六是二十八宿的赤道坐标。七是元大都日出、日没时刻及昼夜长短。
五项新的数据。太阳每日在黄道上的运行速度；月球每日绕地球运行的速度；由太阳的黄道经度推算出赤道经度；由太阳的黄道经度推算出赤道纬度；月道与赤道的交点。
王恂、郭守敬在编制《授时历》时在计算方法上的贡献也是十分突出的。如用“三次差内插法”计算日、月、五星的位置，这种计算方法在原则上与1670年牛顿创立的“内差法”是一样的，这也是对中国数学的一大贡献。又如用“类似于球面三角方法”进行黄道—赤道系统的换算等等。不仅如此，他还废弃了分数表示非整数的方法，采用百进位制来表示小数部分，从而提高了数值计算的精度。
