統壹中國第三年(1262)，張文倩向朝廷推薦，郭守敬是壹個擅長水利工程的人才，而且思維巧妙，勝過常人。當元世祖·忽必烈命令他去見他時，他當面陳述了六個應該建立的水利工程。
皇帝總是對每壹份報告大加贊賞:“做這種事的人不是白吃的。”於是他被任命為提升所有河渠的官職。在中國統壹的第四年，他升任裴副河道大使。
至元元年，郭守敬跟隨張文倩到原西夏國工作。中興郡有兩條古運河。壹段著名的唐來曲，長400裏；另壹條名叫韓嫣的運河有250英裏長。其他各州有十條主要運河，都有200英裏長；有大大小小68家分店。總共有90，000多公頃的土地得到灌溉。自從戰爭以來，河道被毀，河流淤塞。郭守敬已修復大壩水閘，整治河體，恢復原狀。
元二年，郭守敬升任水監。他說:“從中興府乘船沿黃河而下，四晝夜可達東勝。這壹段可以打通水運，應該修。”他還說:“在金代，盧溝河的壹條支流從燕京西邊的繭村穿過西山向西引出，這條支流叫金口河。灌溉了金口以東、燕京以北的大片土地，效益很大。自從進了燕京，警衛就怕出差錯，用大石頭填起來。現在如果對原有河道進行檢查，水路依然暢通。上遊段可運西山之貨，下遊段可通燕京之水運。”他又說:“金口以西也要提前挖壹條引水渠，從西南方向回到主流路，更深更寬，防止漲水時洪水沖進京城。”皇帝認為這都是好建議。元十二年，宰相伯顏進軍南宋，需要設立水路驛站，派郭守敬巡視冀魯豫通航河道，繪圖報備。
至元二十八年，朝廷派郭守敬巡察。他回來報告說，灤河不通，湖溝河不通。就此，他申報了十壹項水利工作。其中之壹就是大都城的五谷河已經不能使用壹畝泉的原有水源了。此外，北山百福泉的水將先向西，然後轉向南，通過翁山波流入市區，從西水門流到積水潭。然後向東轉，向南轉，出南水門，使其流入原糧河。每隔壹裏有壹個水閘，有七個水閘通往通州。離閘門壹裏多，加壹個鬥門配合啟閉，以調河過船。皇帝看了報紙，應該快點做。對此，重新成立了水政監察機構，由郭守敬任主任。當建設開始時，皇帝命令總理以下的數百名官員帶頭工作。
元三十年，皇帝從上都回朝，路過積水潭，只見船頭連著船尾，遮住了水面。他高興極了，把它命名為通惠河，給了郭守敬12500的錢幣，還擔任太史令，太史令還負責監管通惠河的水運。沒有實現。至元三十壹年，他被任命為趙文博物館的大學士，了解太史館的事務。
郭守敬稱帝七年，朝廷頒布聖旨。國內外官員都可以70歲退休，但沒有同意郭守敬的要求。此後，翰林、太史、司田官員不退休成為規定。延祐三年(1316)，郭守敬逝世，享年86歲。
明朝歷法在元朝早期被采用。《大明歷》是南朝劉崧大明六年(462年)祖沖之所制，故稱《大明歷》。因為這種歷法以甲子為紀元，所以又叫“甲子元歷”。這在當時是比較精確的歷法。然而，隨著社會的進步和科學的發展，人們對歷法提出了越來越精確的要求。另外，《大明歷》使用多年，當時有明顯的錯誤。於是，劉，壹位來自工業部的博士，首先寫信給，要求修改新歷法。
至元十三年(1276)，元軍完全占領江南後，元世祖決定設立太史局修訂新歷法。這時，劉已經去世，郭守敬被調到工部當醫生，主持修訂歷法。他向元世祖建議，在修訂新歷法之前，應該進行壹次大規模的天文觀測。根據測試結果制定的日歷更加準確。元世祖任命郭守敬和王勛帶領南、北日本官員(天文觀測官員)進行觀測和計算。
在觀測天象的工作中，首先要解決的是儀器問題。當時的樂器都是宋代遺留下來的，樂器上的規環和零件已經不能用了。主要儀器之壹的銅渾儀，從汴京搬到大都，兩地緯度不同，不得不移動四度進行觀測。此外，由於年代久遠，表面的石頭已經不能再使用了。在修復舊樂器的同時，郭守敬著手打造壹臺新的。至元十六年(1279)，太史局擴為太史館，王勛為太史令，郭守敬為同治太史館。郭守敬畫了新樂器的圖案，獻給了元世祖，並向元世祖解釋了新樂器的結構和功能。元世祖立即批準了制造這種新儀器的計劃。郭守敬創制的簡儀、高標儀、後稷儀、渾天象儀、玲瓏儀、上行儀、豎儀、邏輯儀、景福儀、夷吉儀、月食儀、星計時器等新儀器12種。為了方便去各地的觀測者使用，創造了“正計”、“丸表”、“掛儀”、“座儀”四種儀器。此外，還制作了“背對背圖”、“異向泥蓋圖”、“日進日出永遠空頭圖”等五種可以和儀器壹起借鑒的圖表。
儀器的問題解決後，郭守敬和王勛帶領日本南北官員在全國各地進行大規模的天文觀測。首先，公司在大部分地方設置天臺，在商都、洛陽設置天文儀器和守望者觀測天象。然後，從南北方選拔壹批日本官員，訓練他們掌握觀測技術，攜帶郭守敬設計的正計、丸表、掛儀、座儀等四種新式儀器，到指定地點進行觀測。其觀測範圍為“東起朝鮮，西至滇池，南至朱雅，北至鐵勒，四海二十七處”。這壹觀測規模不僅超過了唐朝和南宮論領導的觀測規模，也是世界天文史上罕見的天文觀測。
郭守敬和其他管理太史館的官員根據這次觀察獲得的材料進行了精確的計算。時隔兩年，至元十七年(1280)，他們終於完成了《授時歷》，以“敬民”命名，意為推廣農耕。六月，元朝政府公布天下，定於第二年正月初壹——至元十八年(1281)。
至元十九年(1282)，太師令王勛死。郭守敬承擔了太史源的全部工作，同時整理、抄錄了壹些未完成的歷書，先後完成了《推補》七卷、《歷城》二卷、《易立傳》三卷、《變容選》二卷。至元二十三年(1286)，郭守敬被任命為太史令，將上述作品獻給元朝政府。為了在民間普及守時歷的知識，真正把道理教給人民，郭守敬還編著了各種通俗易懂的歌謠和歌曲，對守時歷的推行起到了重要作用。《授時歷》是我國歷史上壹部精確的歷法，對後世影響很大。