至元十三年(1276),忽必烈决定立太史局(后改为太史院),制定新的历法,郭守敬、王恂等人经过四年努力工作,改制并创造近二十种天文观测仪器,并进行了大规模的实测活动。郭守敬认为:“历之本在于测验,而测验之器莫先仪表。今司天浑仪,宋皇裕中汴京所造,不与此处(指大都灵台,今北京建国门外泡子河北)天度相符,比量南北二极,约差四度;表石年深,亦复欹侧”(《元史》卷一六四,《郭守敬传》)他先后改进创制的仪器有简仪、仰仪、圭表、景符、闚几、正方案、侯极仪、立运仪、证理仪、定时仪、日月食仪、悬正仪、座正仪等仪器。时人称这些仪器“皆致于精妙,卓见绝识,盖有古人所未及者。”(《元史》卷四八,《天文志》一)简仪是对浑天仪进行重大改革后创制的。他精简了黄道座标,把地平座标与赤道座标分为两个独立的装置。简仪的赤道装置与与现代望远镜中广泛应用的天图式赤道装置基本结构是一样的。它的窥管两端架有十字线,这便是后世望远镜中字丝的祖先。为了便于赤道圈旋转,简仪上应用了滚珠轴承装置,使之转动灵活,可以观测空中任何方位的天体,并从刻度上读出天体的赤纬数值、赤经数值。这比达芬奇发明滚珠轴承早四百多年。简仪比世界上产生同类仪器的时间要早三、四百年。南京紫金山天文台仍存其仿制于明代正统年间的简仪。北京的真品直到清代才被法国人毁掉。仰仪象一口朝天的大锅,上刻方位、时辰、赤道座标等,上用竿子架着一块板,板上有小孔,位置正好在球心上,阳光透过小孔,就在大锅上投下了圆形的倒象,映在座标上,即可读出太阳在天空上的位置。用布仪不仅避免阳光对眼睛的刺激,还可以直接观测日食的方向、亏缺和它发生的时间。圭表是我国古代观测日中影长变化以决定春分、秋分、夏至、冬至时刻的天文仪器。现存河南登封观星台的高表是郭守敬根据圭表加以改制,历七百年后与当地子午线方位仍相符合。郭守敬创造的景符是定影象的仪器,用它来确定圭面日影的长度,可准确到上下不差二毫米。闚几则是用来测量星、月影长的仪器。总之,郭守敬制造的天文仪器其水平超过了前代,有的是当时世界上最先进的。他所以能编订出最先进的《授时历》,是和用这些仪器测量,得出的数据有直接关系。