宋元时期中国天文学的研究达到了一个新的顶峰。
宋代的天文学成就在我国历史上是首屈一指的。从公元1010年～1106在官方主持下，共进行了五次大规模的恒星观测，其中最著名的就是第四次观测，因为这次的观测结果还引起了轰动世界的新发现。
公元1078年～1085年，北宋政府组织了对恒星天象的第四次大规模观测。有个叫黄裳的人根据观测的结果绘制了一个星图送给了当时的太子赵扩，并由赵扩收藏，这就是著名的黄裳原图。赵扩十分喜欢这张精心绘制的天文图。靖康之变王朝南渡，这张宝贵的天文图也随之到了江南，大约从13世纪中叶起，在江南风景如画的历史名城苏州的文庙门口就竖起了一石碑。以后，南宋灭亡，元明相替，几百年过去了，也没有什么人注意过这块古老的石碑。这块古老的石碑高2米左右，宽约1米，碑上刻着一个大圆盘。盘上是许多被七拐八岔的线连在一起的小点点和一些稀奇古怪的文字，这就是公元1247年左右一个叫王致和的人根据黄裳绘制的原图刻成的天文图像。在这幅闻名世界的苏州石刻天文图上，刻有北宋第四次大规模天文观测的结果——1430颗恒星。它是我国天文学史上，也是世界天文学史上的珍宝。
宋元时期最著名的天文学家是元朝的郭守敬，他从小喜欢读书，喜欢观察各种自然现象，对天文学尤其感兴趣。他自己还制造了一些土仪器，如用竹篾做的浑仪来观察天象，为后来对天文仪器的发明和创造打下了基础。
公元1276年，元朝政府下令修订历法，郭守敬参加了这个工作。他本着实事求是的科学态度，提出在修订历法前应对天象进行一次大规模的观测，官方采纳了他的这一建议。这次许多人参加的大规模天象观测活动使我国天方学史上记录的恒星数量由1430颗增加到2500多颗，并把观测结果也制成了星图，遗憾的是这个星图没能保存下来。
在观测天象的活动中，为了提高精密度，郭守敬在三年之内制成了简仪、高表、仰仪等13种天文仪器。为了在外地观测，他又创制了一套携带方便的天文仪器，还制作了仰规变距图、导方浑盖图等五种图，与仪器互相参照使用。
郭守敬创制简仪，是对浑仪的大胆革新。浑仪是古代用来测量日、月和星星位置的主要天文仪器。但是结构复杂，转动不灵便，且圆环很多，遮掩了一部分星星，不利于观察。简仪的功用和浑仪相同，但结构简单，刻度精密，为了旋转顺利，还装了滚球轴承，比欧洲应用滚球轴承早了将近二百年。郭守敬制造的天文仪器，精巧和准确程度都超过了前人。清朝初年，西方的传教士汤若望来中国，见到郭守敬创造的天文仪器非常敬佩。他尊称郭守敬为“中国的第谷”。第谷是16世纪欧洲著名的天文学家。也制造许多天文仪器。但他却比郭守敬晚300多年。
应用这次观测的数据，郭守敬花了两年多的时间修成了一部新历法——《授时历》。以往的历法不满一日的尾数大多用分数来表示，使计算十分复杂，而郭守敬的《授时历》改用了小数，他计算出一年为365.2425日，和地球公转周期只差秒，与当今世界上通用的公历一年的周期相同。《授时历》是在1280年颁布的，比现行的公历要早302年。
郭守敬在天文历法方面的著作有14种，共计105卷，在古代天文学家中，他是著作最为丰富的一个。
从公元前6世纪的春秋战国时期到公元15世纪长达2000年的时间内，中国在整个科学技术领域，无论是数学、天文学、物理学等理论自然科学方面，还是在应用技术的发明创造上，始终居于世界的领先地位。究其原因，主要是由于我国古代的科学家们普遍享有思想上的自由，从春秋战国直到宋元时期，在我国始终未能形成像伊斯兰教、基督教国家那样的政教合一的神学统治。因此，自先秦以来发达的自然科学和各种学术流派始终没有象古希腊及中世纪的西方那样遭受到严酷的摧残。这正是科学发展的最重要的条件。