至元十三年(1276),忽必烈決定立太史局(后改為太史院),制定新的歷法，郭守敬、王恂等人經(jīng)過四年努力工作，改制并創(chuàng)造近二十種天文觀測(cè)儀器，并進(jìn)行了大規(guī)模的實(shí)測(cè)活動(dòng)。郭守敬認(rèn)為：“歷之本在于測(cè)驗(yàn)，而測(cè)驗(yàn)之器莫先儀表。今司天渾儀，宋皇裕中汴京所造，不與此處(指大都靈臺(tái)，今北京建國(guó)門外泡子河北)天度相符，比量南北二極，約差四度；表石年深，亦復(fù)欹側(cè)”(《元史》卷一六四，《郭守敬傳》)他先后改進(jìn)創(chuàng)制的儀器有簡(jiǎn)儀、仰儀、圭表、景符、闚幾、正方案、侯極儀、立運(yùn)儀、證理儀、定時(shí)儀、日月食儀、懸正儀、座正儀等儀器。時(shí)人稱這些儀器“皆致于精妙，卓見絕識(shí)，蓋有古人所未及者?！?《元史》卷四八，《天文志》一)簡(jiǎn)儀是對(duì)渾天儀進(jìn)行重大改革后創(chuàng)制的。他精簡(jiǎn)了黃道座標(biāo)，把地平座標(biāo)與赤道座標(biāo)分為兩個(gè)獨(dú)立的裝置。簡(jiǎn)儀的赤道裝置與與現(xiàn)代望遠(yuǎn)鏡中廣泛應(yīng)用的天圖式赤道裝置基本結(jié)構(gòu)是一樣的。它的窺管兩端架有十字線，這便是后世望遠(yuǎn)鏡中字絲的祖先。為了便于赤道圈旋轉(zhuǎn)，簡(jiǎn)儀上應(yīng)用了滾珠軸承裝置，使之轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，可以觀測(cè)空中任何方位的天體，并從刻度上讀出天體的赤緯數(shù)值、赤經(jīng)數(shù)值。這比達(dá)芬奇發(fā)明滾珠軸承早四百多年。簡(jiǎn)儀比世界上產(chǎn)生同類儀器的時(shí)間要早三、四百年。南京紫金山天文臺(tái)仍存其仿制于明代正統(tǒng)年間的簡(jiǎn)儀。北京的真品直到清代才被法國(guó)人毀掉。仰儀象一口朝天的大鍋，上刻方位、時(shí)辰、赤道座標(biāo)等，上用竿子架著一塊板，板上有小孔，位置正好在球心上，陽光透過小孔，就在大鍋上投下了圓形的倒象，映在座標(biāo)上，即可讀出太陽在天空上的位置。用布儀不僅避免陽光對(duì)眼睛的刺激，還可以直接觀測(cè)日食的方向、虧缺和它發(fā)生的時(shí)間。圭表是我國(guó)古代觀測(cè)日中影長(zhǎng)變化以決定春分、秋分、夏至、冬至?xí)r刻的天文儀器?，F(xiàn)存河南登封觀星臺(tái)的高表是郭守敬根據(jù)圭表加以改制，歷七百年后與當(dāng)?shù)刈游缇€方位仍相符合。郭守敬創(chuàng)造的景符是定影象的儀器，用它來確定圭面日影的長(zhǎng)度，可準(zhǔn)確到上下不差二毫米。闚幾則是用來測(cè)量星、月影長(zhǎng)的儀器?？傊鼐粗圃斓奶煳膬x器其水平超過了前代，有的是當(dāng)時(shí)世界上最先進(jìn)的。他所以能編訂出最先進(jìn)的《授時(shí)歷》,是和用這些儀器測(cè)量，得出的數(shù)據(jù)有直接關(guān)系。