中統三年時，張文謙向朝廷推薦郭守敬是位擅長水利工程的人才，並且思想靈巧，勝過平常人。元世祖忽必烈命他進見時，他當面陳述了應該興辦的六項水利事業如下：第壹，金代中都原有的水運河道，東面可到通州。如果引西郊玉泉山的水流入，使舟船能通行，每年可節省雇車的運輸費六萬緡。第二，將順德府達活泉的水引進到城裏，分為三支，可用以灌溉城東的土地。第三，順德府的灃河，本來向東通往古任城。現在原有河道已淤沒，水流漂淹百姓土地壹千三百余頃。如果將它開通，這些田就可以耕種。從小王村經滹沱河會合入禦河，還可通行船舶。第四，從磁州東北滏河與漳河會合處，引水由滏陽、邯鄲、洺州、永年，往下經雞澤而流入灃河，可以灌溉土地三千余頃。第五，懷孟路的沁河，雖然灌溉了農田，但還有穿過土堰的余水，向東與丹河的余水相會合。如果引此水向東流送至武陟縣北，合流入禦河，可以灌溉土地二千余頃。第六，從孟州西部開渠引黃河的水，穿過新舊孟州之間，再沿黃河的古岸邊東下到溫縣南面重新進入典河。這壹段亦可灌溉良田二千余頃。每奏報壹項，皇帝總是贊賞道：“像這樣去辦事的人，方才不是白吃飯的。”於是派他擔任提舉諸路河渠的官職。中統四年，升任佩銀符副河渠使。
早年，劉秉忠鑒於從遼、金兩代沿用到元初的《大明歷》，已經二百多年了。歷法上的天象漸漸地落後於實際上的天象，曾計議修改歷法，隨即他去世了。至元十三年時，江東的南宋已攻滅，皇帝想到了劉的改歷意見。於是就委派郭守敬與王恂，率領原有的以及來自亡宋的天文官員，進行具體的天文測量並作計算；又委派張文謙和樞密張易為主管，裁奪奏報，左丞許衡***同參與工作。郭守敬首先指出道：“治歷的根本在於作測量，作測量的工具首先在於儀器。現在司天臺上的渾儀，是故宋皇佑年間制作於汴京開封府，跟這裏的天文度數並不相合。測量天球上南北二極，相差約四度多。圭表的基石，因年久亦已傾斜。”郭守敬於是考查缺點，重新作了安頓。接著，又另外選找高爽的地段，搭設並列的木棚，創制簡儀和高表，用以測量校比。他又認為，天樞星在北極旁邊轉動，以前有人用窺管觀測，未能測定北極位置，於是制作了候極儀。北極位置測定了，其余天體的位置就能正確標定，又制作了渾天象。渾天象形狀雖很像，但還不太適用，再制作玲瓏儀。圭表象矩尺，是方的，要測圓形的天，不如以圓求圓，他又創制了仰儀。古代有經緯制度，結合成固定的網格形，不能轉動，郭守敬變更壹下，制作了立運儀。太陽和月亮的運行，分別有黃道和九行道，他合起來作了證理儀。高表雖然高，但所得表影端部模糊不夠真切，他制作了景符。月雖然明亮，觀測它照射出的影子時則較困難，他作了窺幾。檢驗歷法的正確性在於日月食觀測，又作了日月食儀。天球上的赤道，可用圓輪置於相當的位置來表示，南北極方向的高低可用標桿指明，按此而制作了星晷定時儀。另又作正方案、丸表、懸正儀和座正儀，都是為到外地去作測量時使用的。此外還制作了《仰規覆矩圖》、《異方渾蓋圖》和《日出入永短圖》，可以同以上各種儀器測量互相參照使用。
至元十六年，太史局改為正式機構太史院，發給公章，設立官署。王恂當太史令，郭守敬任副職為知太史院事。在上呈並匯報各種儀器式樣時，郭守敬在皇帝面前解釋使用方法及其原理，壹直到天晚，皇帝並不厭倦。郭宗敬隨而奏報：“唐代壹行在開元年間命南宮說到各地去測量日影，書上記載有十三處地方。現在疆土比唐代還要廣大，如果不到遠方去作測量，怎知日月食時刻與食分的不同、晝夜長短的不同以及日月星辰在天上位置高低的不同？現今作測量的人員較少，可以先在南北若幹地方立表桿，測定準確的日影長度。”皇帝同意他的意見，設置了十四個監候官，分路到各地去。東方去到高麗，西方直至滇池，南方超越朱崖，北方達到鐵勒，作四海測驗場的總***有二十七個地方。
至元十七年，新歷完成了。
至元二十八年，有人向朝廷上方說，灤河河道上，如從永平行船，拉牽越山而上可抵開平；另有人說，瀘溝河如經麻峪村通船，可至尋麻林。朝廷派郭守敬去視察。他回來匯報道，灤河不能通行，滬溝河亦不能通舟。他就此陳報關於水利的十壹項工作。其中之壹為，大都城的運糧河，可不再采用壹畝泉原有的水源，另外開引北山白浮泉的水，先向西行，再折而向南，通過甕山泊，從西水門流入城內，匯集於積水潭。然後再往東，轉向南面出南水門，使它流入原有的運糧河。每隔十裏設置壹道水閘，通往通州***設水閘七道。離閘壹裏余，再加設鬥門，配合作開閉以便調整河水而通船。皇帝看了奏章，高興地說，應該趕快就辦。就此又重新設立了都水監機構，使郭守敬為主管。皇帝命令，開工時自丞相以下百官，都親自拿起畚插等工具，等待郭守敬安排，帶頭參加勞作。原先，運河只到通州，通州到大都是改從陸路運送官糧的。每年運來幾萬石正值秋天霖雨時節，拉車的驢子等牲畜不知要累死多少。這時都可免除了。至元三十年，皇帝從上都回朝，路過積水潭，只見船頭接連船尾，把水面都遮沒了。他大為高興，把它起名為通惠河，賜給郭守敬錢鈔壹萬二千五百貫，仍任太史令，兼任提調通惠河漕運事。郭守敬又上言，在通惠河澄清閘稍東處，引水跟北壩河相接，在麗正門西邊設立閘門，則舟船可環繞大都城護城河通行。這件事並沒有實現。至元三十壹年，他被任命為昭文館大學士，知太史院事。
大德二年，朝廷召郭守敬到上都，商議有關開控鐵幡竿渠的工作。郭守敬匯報道：“山洪常年暴發，渠道壹定要寬廣，並加設土壩，寬度非五十步到七十步不可。”辦事人員不願多花工資費用，認為郭守敬所說太過頭了，縮小了三分之壹。第二年大雨，山水暴發，渠不能容，浸沒了人畜及廬帳，差點危及行宮。元成宗對負責官員說：“郭太史真是個神奇的人物！可惜沒有聽從他的話。”大德七年，朝廷下詔書，內外官員年紀到了七十歲的，都可退休，唯獨沒有同意郭守敬的請求。從此以後，翰林、太史、司天官員都不退休，成為壹項規定。延佑三年，郭守敬八十六歲時去世了。