忽必烈对新历法极为满意，他按照《尚书·尧典》中“敬授民时”一语，将新历法定名为《授时历》，此后通用了360年。《授时历》推算出一个回归年为365.2425日，即365天5时49分12秒，与地球公转的实际时间只差26秒钟，和现在世界通用的《格里高利历》（比《授时历》晚了三百多年）的周期一样。
【兴修水利】
从20岁开始邢台治水，郭守敬的宦海生涯中2/3的时间都奔波在水利工地上。元世祖中统三年（1262年）春，张文谦向忽必烈推荐郭守敬，郭一连提出六项水利工程计划。忽必烈当即任命郭守敬为“提举诸路河渠”，掌管各地河渠的整修和管理工作。次年，他又被升任为副河渠使。元朝北部地区的水利建设和南北大运河的贯通，基本上都是郭守敬的功劳。其中，最能体现郭守敬非凡才能的工程，是修复西夏水利和开凿通惠河。
西夏水利是指原西夏兴庆府（今宁夏银川）一带黄河两岸的水利设施。早在秦汉时，这一带就开凿了许多河渠系统，引入黄河水灌溉，成为西北地区的重要粮仓。但在蒙古灭西夏战争中，水利设施损坏殆尽，致使九万多顷良田荒芜。
1264年，郭守敬在西夏深入考察实地资料，亲率民工开挖疏浚，对原有的正渠、大小支渠“因旧谋新，更立闸堰”，使之焕然一新。整个工程在地方官民的支持下，不到一个季度就完成了。数万项农田得到了及时灌溉，渠水四达，稻菽丰收，使西夏再现了“塞北江南”的景象。當地人为此建立了“郭氏生祠”，并立碑以纪其事。
1265年，郭守敬自西夏返京途中，乘舟顺黄河而下，行至东胜（今內蒙古托克托），发现此段河可通漕运。他还考察了査泊、兀剌海一带，认为这里的许多古渠修复后可再用。两年后，忽必烈采纳了郭守敬的建议，下令在此段黄河中开辟漕运，设置水上驿站，方便了西夏粮食外运，加强了西夏与元朝中央的联系。这一年，郭守敬被任命为都水少监，协助都水监掌管水利工程。
从西夏回来后，郭守敬开始着手解决大都漕运的问题。由于设计周密科学，开挖的河道经受了多次洪水的考验，成功地使用了近三十年，特别是通过这些河道将西山大量的石料、木材运抵城内，有力支持了元大都的建设。但因通州地势较低，大都附近水源有限，不能负担起运河水量，郭守敬经过反复实践，设计出一套复杂而又精巧的水利系统。1293年，总长160多里的京通运河终于开通，实现了从杭州至大都的全线通航，漕运的粮食由每年几万石猛增到一百几十万石。忽必烈欣然将其命名为“通恵河”——郭守敬治水成功，才有了北京城700多年的定都史。
此外，郭守敬还开建了瓮山泊、积水潭两座水库，使运河中的水位保持相对稳定的高度。为使引水平缓东流，保证漕运水量，郭守敬在运河上每十里设一闸，这些闸坝解决了因地势落差大，水流容易一泄而过的难题，使运河保持了足以行舟的水量。这一创举是郭守敬在水利史上的奇迹，如今的巴拿马运河、长江三峡、葛洲坝等水利工程，仍采用这种方法解决行船的航运问题。郭守敬还提出以海平面作为基准，比较大都和汴梁两地地势高低的差别，这是世界上首次提出“海拔”的概念；他还曾溯黄河而上探寻黄河发源地，由此成为科学考察黄河源头的先驱者。
1298年，元成宗要在上都西北铁幡竿岭下开渠，郭守敬经过实地勘查，了解到该地雨量集中，易发山洪，建议修建50至70步宽的大渠，然而，主管此事的官员认为没有必要，施工中把宽度缩小了1/3。次年，大雨骤至，山洪溢出河渠泛滥成灾，淹沒人畜、田地无数，差点冲毀了皇帝行宫。元成宗不得不避水而走，他对大臣感叹：“郭太史真神人也！”后来元成宗下诏，官员年满70才可以退休，但郭守敬不能退休，此后元朝形成了天文官员不退休的制度。
