世祖推诚，穷究天人时变。上都司天台是我国元代建在上都的国家天文台。据《元史》记载，1267年，波斯人札马鲁丁撰进《万年历》并制造七件阿拉伯天文仪器、观测研究天象。其中一件就是他制造的地球仪，也是中国第一架地球仪。《元史·百官志六》说：“世祖在潜邸时，有旨征回回学者札马鲁丁等以其艺进，未有官署。”1271年，世祖忽必烈在建国号为大元的当年，"以上都承应阙宫，增置行司天监"，钦命札马鲁丁为第一任司天监提点。元朝在上都设立的司天台，主要职责是观测天象和编制天文历法。上都司天台设立后，札马鲁丁、郭守敬等中外著名天文学专家开展了大量天文学研究工作。在元上都兴盛的百年间，元代科研人员曾在上都司天台利用方位仪、天球仪和观象仪等先进仪器观测天文现象。同时，“台长”札马鲁丁还在古希腊天文学家托勒密式的天球仪上，加上了中国传统的二十八宿星宫体系，并采用十二地支，标注星体位置。据考证，这与现代绘制的中西结合的星图基本一样。1289年12月，世祖忽必烈命回回司天台祭荧惑（彗星）。当时司天台藏托勒密的《天文堂大成》、欧几里德的《几何原本》等书籍。并派学者到波斯等地访问交流。上都司天台曾是研究阿拉伯天文学的中心，也是研究西方和阿拉伯学术的重要场所。在那个时代有着国际一流的水平。进入21世纪，专家称“上都司天台”极大地推动了中国天文学的发展，在天文历法方面的贡献代表了我国古典天文学发展的最高成就。并确认为国家天文台的诞生地。

网罗人才，组织“四海测量”。元灭金、宋后，将开封和杭州的司天监人员都集中到了大都。世祖忽必烈应郭守敬的建议在大都建立一座新的司天台，并在全国分期分批设立观星台。1282年二月，世祖忽必烈命令司徒阿你哥、署理工部尚书纳怀制造装饰有铜轮仪表的刻漏。修建宫城、太庙、司天台。据史料记载，在大都司天台，为了观测天象，郭守敬研制了简仪、高表、候极仪、玲珑仪、仰仪、立运仪、证理仪、景符、窥几、浑象仪、日月食仪、星晷定时仪等多种天文仪器。这些精致的天文仪器被安装在司天台上后，它便成了当时“世界上设备最完善的天文台”，而且成为当时世界上最大的天文台。凭借司天台上的这些天文仪器，郭守敬进行了“四海测量”，观测成果为制订《授时历》奠定了基础。18世纪著名法国天文学家拉普拉斯在推算他的星云说时就引用了这次测量的结果。使当时我国的天文学达到了世界天文学发展的高峰。大都司天台曾经受命两次祭日。

改造历法，《授时历》颁行天下。1276年6月，世祖忽必烈命令太子赞善王恂和江南负责天文历法的官员一起设置机构，重新编制新历法，由枢密副使张易主管。张易、王恂上奏说：“现在的历法家，只知道编订历书的方法，很少有懂得历法原理的，应当有像许衡这样的老儒来商量制订。”皇上便下诏征召许衡前来京师。世祖忽必烈根据刘秉忠生前的建议，命张文谦等主持修订新历。世祖忽必烈依从太史令王恂等人建言：“建司天台于大都，仪象圭表皆铜为之，宜增铜表高至四十尺，则景长而真。又请上都、洛阳等五处分置仪表，各选监候官。”命同知太史院事郭守敬在全国各地访求精天文历数者。敕郭守敬由上都、大都，历河南府抵南海，测验晷景。公元1279年，凭借所研制的大批观天仪器，在郭守敬领导下开展了全国范围的天文测量，“东至高丽，西极滇池，南逾朱崖，北尽铁勒，四海测验，凡二十七所”。其分布范围是空前的，南起北纬15°，北至北纬65°；东边起东经138°，西至东经102°。这些地点的观测成果为制订优良的《授时历》奠定了基础。郭守敬和他的同事们编制完成新的历法《授时历》。1280年，世祖忽必烈下诏正式颁布《授时历》，并规定从第二年起在全国执行。为推行全国统一的新的历法，1284年5月，世祖忽必烈颁诏收聚天下私自藏匿的天文图谶《太乙雷公式》、《七曜历》、《推背图》、《苗太监历》，有暗中研习和收藏的，予以治罪。1284年6月，世祖忽必烈遣使分道寻访测验晷景、日月交食、历法。1284年7月，敕令秘书监修撰《地理志》。1285年3月，遣太史监候张公礼、彭质等往占城测候日晷。1285年5月，因为远方所用的历书由京师供给，不能按时送达，敕命荆湖等四个行省所用历法由隆兴印刷，合剌章、河西、西川等地所用历法由京兆府印刷。1286年2月，以编地里书，召曲阜教授陈俨、京兆萧、蜀人虞应龙，唯应龙赴京师。《授时历》是一部具有世界先进水平的历法，它所取的回归年长度365.2425日，与现在的公历完全一样，但它却早了300年。中国古代历法，至元代的《授时历》达到了高峰。《授时历》于公元1280年制成，次年正式颁发实行，一直延用到明亡（公元1644年），长达363年，足见《授时历》的精密。《授时历》不但是我国行用时间最长的一部历法，而且对一些周边国家主要是朝鲜产生了影响。1286年二月，太史院奉上《授时历经》、《历议》，世祖忽必烈敕令收藏在翰林国史院。