郭守敬出生于一个书香世家。他的祖父是颇有名望的学者，熟知天文历算，擅长水利工程。在祖父的影响下，郭守敬从小就喜欢读书，对天文学尤感兴趣。少年时期，郭守敬被祖父送到精通天文学的刘秉忠门下去学习，在那里获得了很大的教益。
1276年，元世祖决定修改旧历，颁行元代自己的历法，他下令组织太史局，召集全国的天文学者来修订新历法。实际主持这项工作的是郭守敬幼年时的好友王徇，王徇深知郭守敬擅长天文，便推荐他参加修订新历的工作。

制定立法的工作一开始.郭守敬就提出“立法的根本在于测验，而测验的器具首推仪表”。郭守敬检查了大都城里天文台的仪器装备后，发现它们都是金朝甚至北宋的遗物，不能使用，于是决定创制新器具。
圭表在进行测量时非常重要，但旧的表影边缘不够清晰，测量影长的技术也不够精密。于是，郭守敬把圭表的表竿加高五倍，观测时的表影也加长了五倍。表影变长，按比例推算各个节气时刻的误差就可以大大减少。圭表的改进工作完成于1277年夏天。
原物早已不复存在，现在河南省登封市还保存着一座砖石结构的观星台，其中就有按郭守敬原设计重造的圭表。当地人民给郭守敬创制的圭表表示了一个豪迈的名字，叫“量天尺”。

改进了圭表之后，郭守敬开始动手改进浑天仪，他改进浑天仪的原则是简化。他经过刻苦钻研后，大胆革新，把浑天仪中重重套装着的圆环省去一些，只保留了地平经纬仪、赤道经纬仪和日晷三个主要部件。
这样，浑天仪的基本结构改变了，比起原来的浑天仪，真是既简单又实用，所以被称为简仪。简仪的地平装置，叫做立运仪。它可以同时测量天体的地平方位和高度，在我国的天文仪器中属于首创。立运仪是近代测量用的经纬仪和航空导航的天文罗盘等仪器的最早形式。

郭守敬用它创造的简仪进行了许多精确的测量，其中最有意义的两项是对赤道和黄道交角的测量和二十八星宿距离的测定。
郭守敬的这两项观测成果，对编订新历有重大的意义。此外，郭守敬所进行的其他天文测量，也为编织新历提供了精确的实测数据。
正是在这个基础上，新的《授时历》诞生了。1281年，《授时历》在全国颁行。

为纪念郭守敬对天文作出的卓越贡献，人们将月球背面的一环形山命名为“郭守敬环形山”，将小行星2012命名为“郭守敬小行星”。

郭守敬从小就对天文学有着浓厚的兴趣，这是他迈向成功的最初动力。在发现圭表和浑天仪的弊端后，他没有因袭旧法，而是勇于实践，大胆革新，最终发明了先进的天文仪器，为天文学的发展作出了突出的贡献，泽被后人。