郭守敬的《授时历》比欧洲人确立公历的时间要早三百零二年。元世祖灭南宋以后，更加重视农业生产的恢复。农业生产要利用历法。过去，蒙古一直使用金朝颁布的历法，这种历法误差很大，连农业上常常使用的节气也算不准。元朝征服江南以后，南方用的又是另一种历法，南北历法不一样，更容易造成紊乱。元世祖决定统一制订一个新历法。他下令成立了一个编订历法的机构，名叫太史局（后来叫太史院）。负责太史局的是郭守敬的同学王恂。郭守敬因为精通天文、历法，也被朝廷从水利部门调到太史局，和王恂一起主办改历工作。修订历法工作一开始，郭守敬就提出：研究历法先要重视观测，而观测必须依靠仪表。原来从开封运来的有一架观察天象的大型浑天仪，已经陈旧不堪，得不到可靠的数据。郭守敬设计一套新的仪器。他觉得原来的浑天仪结构复杂，使用不方便，还创制了一种结构比较简单、刻度精密的简仪。他制作的仪器，精巧和准确程度都比旧的仪器高得多。有了好的仪器，还要进行精确的实地观测。公元１２７９年，郭守敬在向元世祖报告的时候，提出在太史院里建造一座新的司天台，同时在全国范围进行大规模的天文测量的打算。这个大胆的计划马上得到元世祖批准。经过王恂、郭守敬等一起研究，在全国各地设立了二十七个测点。最北的测点是铁勒（在今西伯利亚的叶尼塞河流域），最南的测点在南海（在今西沙群岛上），选派了十四个监候官员分别到各地进行观测。郭守敬也亲自带人到几个重要的观测点去观测。各地的观测点把得到的数据全部汇总到太史局。郭守敬根据大量数据，花了两年的时间，编出了一部新的历法，叫《授时历》。
《授时历》是由郭守敬和王恂、许衡等人共同编制出来的。他们为了编制的更精确，曾深入研究分析汉代以来出现的各家历法，争取吸收各历之长，王恂主张“明历之理”，郭守敬认为“历之本在于测验，而测验之器莫先仪表”，这样将二者结合起来，理论与实践紧密结合的科学态度才使得他们编制出的《授时历》在我国古代最为先进，也因此施行最久。
郭守敬编制历法时注重的是测验。为了编历，他创制和改进了很多天文仪器如简仪、高表、候极仪、浑天象、仰仪、立运仪、景符等，这些不仅为历法也为天文学的发展做出了很多贡献。另外，他还在全国范围内共设立了27个观测站，进行了大规模的“四海测量”，还分别对北极出地高度、二十八宿距度以及黄赤交角新值进行测量，结果非常可观，与现在的数值误差非常小。
《授时历》还废除了上元积年，把至元十七年的冬至时刻作为出发点，用至元十八年作为开始之年，称为“元”。采用的计算数据，取消了日法的分数表达式，采用百位进制的小数制，也就是个位数以下一律以100为进位单位。
经过艰苦细致的测量，郭守敬等人得到了大量最新数据，掌握了日月星辰的变化，在这个基础上，终于编制完成 了新的历法。
忽必烈对这项成果也非常赞赏，亲自定名为《授时历》，就是说，这本历法是要告诉老百姓日月时光，不要错过农时。这部新历法当年就正式在全国实行了。