郭榮是金、元時期一位頗有名望的學者。其孫郭守敬在郭榮的教養下，從小勤奮好學，在少年時代就養成了很強的動手能力。到了十五六歲時，就可以曾根據書上的一幅插圖，用竹篾紮制出一架測天用的渾儀，而且還堆土做了一個土台階，把竹制渾儀放在上面，進行天文觀測。他還曾根據北宋燕肅一幅拓印的石刻蓮花漏圖，弄清了這種可以保持漏壺水面穩定的、在當時頗為先進的計時儀器的工作原理。
忽必烈的重要謀士、著名學者劉秉忠在邢台西南的紫金山中結廬讀書。郭榮與劉秉忠交好，便将一位少年郭守敬送到劉秉忠門下深造。劉秉忠精通經學和天文學，郭守敬在他那兒獲得了頗多的教益。1251年，劉秉忠被當時總領漠南漢地事務的忽必烈召入幕下。劉秉忠離開邢台後，把郭守敬介紹給了張文謙。
郭守敬成年不久後，受命來安撫邢台一帶地方的脫兀脫和劉肅等，發起了整治開挖水流河道的工作，并專門聘請郭守敬承擔工程的規劃設計。郭守敬根據家傳學問，再加上認真的調查勘測，很快就弄清了因戰亂而破壞了的河道系統。随後的疏浚整治工程，使蔓延的水澤各歸故道，并且在郭守敬的指點之下一舉挖出已被埋沒了近三十年的石橋遺物。這項工程受到了時人的傳頌，著名文學家元好問曾專門為此寫了一篇《邢州新石橋記》，文中的郭生指的就是年輕的郭守敬。
中統元年（1260年），忽必烈在開平府（後稱上都）即位，命張文謙到大名路（今河北大名一帶）等地擔任宣撫司的長官，郭守敬也跟随張文謙一同前往學習。郭守敬所到之處，做了許多河道水利的調查勘測工作。他還在大名召集匠人，鼓鑄了一套他少年時所探究的蓮花漏。蓮花漏，古代計時器的一種。郭守敬把作為裝飾性的蓮花作了改動，是以改稱為寶山漏。“寶山漏”是當時比較理想的計時器,鑄成後,被調至燕京,安放于靈台,做為天文台标準計時器。郭守敬在主持大地觀測和《授時曆》編纂遷程中,就是使用“寶山漏”計時的。郭守敬晚年又創制了“櫃香漏”、“靈台水運渾天漏”、“屏風香漏”、“大明殿七寶燈漏”等計時器。其中“靈台水運渾天漏”既是觀測天象的儀表,又是一個計時器,它的計時器裝置是在水運渾天儀上裝有兩個木人,它們在水渾天儀轉動的時候,自動按刻、按時各自擊鼓敲鐘，報到時刻。
中統三年（1262年），因時任左丞的張文謙的推薦，郭守敬在開平府受到忽必烈召見，他面陳關于水利的建議六條，每奏一事，忽必烈都點頭稱是，對他頗為贊賞。随即被忽必烈任命為提舉諸路河渠，掌管各地河渠的整修和管理工作。至元元年（1264年），忽必烈任命中書左丞張文謙出任西夏中興等路行省長官，并命諸路河渠提舉郭守敬同行，具體負責甯夏治水複屯事宜。經實地勘查，郭守敬否定了另開新渠的主張，認為重點應放在修複疏通舊有管道上。同時提出建滾水壩以減弱水勢，在管道引水處築木閘堰以提高水位，建渠首進水閘以保證管道有充足水量，建退水閘以調節流量等技術方案。經過數年的辛勤勞動，共修複疏浚興、靈、應理、鳴沙等四州主幹渠12條、支渠68條，使9萬餘頃土地恢複了灌溉。這次修複的沿河管道壩閘，設計精細，品質堅固，直到明代中期還在繼續使用。郭守敬從興築水渠到建築水壩和水閘，是人類由儲水到控水認識上的一個飛躍，也是人工灌溉史上的一個進步。
至元十三年（1276年），都水監并入工部，郭守敬任工部郎中。同年，忽必烈根據劉秉忠生前建議，命張文謙等主持修訂新曆，郭守敬與王恂受命率南北日官進行實測，提出了“曆之本在于測驗，而測驗之器莫先儀表”的正确主張。郭守敬首先檢查了大都城裡天文台的儀器裝備。這些儀器都是過去金國的遺物。其中渾儀還是北宋時代的東西。另外，天文台所用的圭表也因年深日久而變得歪斜不正。郭守敬立即着手修理，把它扶置到準确的位置。這些儀器終究是太古老了，郭守敬不得不創制一套更精密的儀器，為修曆工作奠定堅實的技術基礎。
通過一系列精準的天文測量，并且在南宋《成天曆》的基礎上，郭守敬等傑出的科學家終于克服了修訂曆法中的種種困難，非常成功的精确制訂完成了《授時曆》這部卓越的曆法。公元1280年春天。忽必烈按照“敬授民時”的古語，将修訂完成的曆法取名為《授時曆》。這部曆法，反映了當時我國天文曆法的新水準。它有不少革新創造，例如，定一回歸年為365.2425日，比地球繞太陽公轉一周的實際時間，僅差25.92秒，和現代世界通用的公曆完全相同。
至元二十九年（1292年）郭守敬上司并開辟了大都（今北京市市區）的白浮堰，開鑿了由通州到大都積水潭（今北京什刹海）大運河最北的一段——通惠河的修建工程。至元三十年（1293年）七月，忽必烈從上都（今内蒙古錫林郭勒盟正藍旗草原）回到大都，路過積水潭，見其上“舳舻敝（蔽）水”，大悅，親賜名為通惠河，并賜郭守敬鈔一萬二千五百貫，命他仍以太史令職兼提調通惠河漕運事。
大德七年（1303年），成宗下诏，凡年滿七十歲的官員皆可退休，唯獨郭守敬，因為朝廷還有工作依靠他，不準退休。由此形成了一個新例：太史院的天文官都不退休。元仁宗延祐三年（1316年），郭守敬去世，享年八十六歲。
1970年，國際天文學會以郭守敬的名字為月球上的一座環形山命名為“郭守敬環形山”。1977年3月，國際小行星中心将小行星2012命名為“郭守敬小行星”。
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