郭荣是金、元时期一位颇有名望的学者。其孙郭守敬在郭荣的教养下，从小勤奋好学，在少年时代就养成了很强的动手能力。到了十五六岁时，就可以曾根据书上的一幅插图，用竹篾扎制出一架测天用的浑仪，而且还堆土做了一个土台阶，把竹制浑仪放在上面，进行天文观测。他还曾根据北宋燕肃一幅拓印的石刻莲花漏图，弄清了这种可以保持漏壶水面稳定的、在当时颇为先进的计时仪器的工作原理。
忽必烈的重要谋士、著名学者刘秉忠在邢台西南的紫金山中结庐读书。郭荣与刘秉忠交好，便将一位少年郭守敬送到刘秉忠门下深造。刘秉忠精通经学和天文学，郭守敬在他那儿获得了颇多的教益。1251年，刘秉忠被当时总领漠南汉地事务的忽必烈召入幕下。刘秉忠离开邢台后，把郭守敬介绍给了张文谦。
郭守敬成年不久后，受命来安抚邢台一带地方的脱兀脱和刘肃等，发起了整治开挖水流河道的工作，并专门聘请郭守敬承担工程的规划设计。郭守敬根据家传学问，再加上认真的调查勘测，很快就弄清了因战乱而破坏了的河道系统。随后的疏浚整治工程，使蔓延的水泽各归故道，并且在郭守敬的指点之下一举挖出已被埋没了近三十年的石桥遗物。这项工程受到了时人的传颂，著名文学家元好问曾专门为此写了一篇《邢州新石桥记》，文中的郭生指的就是年轻的郭守敬。
中统元年（1260年），忽必烈在开平府（后称上都）即位，命张文谦到大名路（今河北大名一带）等地担任宣抚司的长官，郭守敬也跟随张文谦一同前往学习。郭守敬所到之处，做了许多河道水利的调查勘测工作。他还在大名召集匠人，鼓铸了一套他少年时所探究的莲花漏。莲花漏，古代计时器的一种。郭守敬把作为装饰性的莲花作了改动，因此改称为宝山漏。“宝山漏”是当时比较理想的计时器,铸成后,被调至燕京,安放于灵台,做为天文台标准计时器。郭守敬在主持大地观测和《授时历》编纂迁程中,就是使用“宝山漏”计时的。郭守敬晚年又创制了“柜香漏”、“灵台水运浑天漏”、“屏风香漏”、“大明殿七宝灯漏”等计时器。其中“灵台水运浑天漏”既是观测天象的仪表,又是一个计时器,它的计时器装置是在水运浑天仪上装有两个木人,它们在水浑天仪转动的时候,自动按刻、按时各自击鼓敲钟，报到时刻。
中统三年（1262年），因时任左丞的张文谦的推荐，郭守敬在开平府受到忽必烈召见，他面陈关于水利的建议六条，每奏一事，忽必烈都点头称是，对他颇为赞赏。随即被忽必烈任命为提举诸路河渠，掌管各地河渠的整修和管理工作。至元元年（1264年），忽必烈任命中书左丞张文谦出任西夏中兴等路行省长官，并命诸路河渠提举郭守敬同行，具体负责宁夏治水复屯事宜。经实地勘查，郭守敬否定了另开新渠的主张，认为重点应放在修复疏通旧有渠道上。同时提出建滚水坝以减弱水势，在渠道引水处筑木闸堰以提高水位，建渠首进水闸以保证渠道有充足水量，建退水闸以调节流量等技术方案。经过数年的辛勤劳动，共修复疏浚兴、灵、应理、鸣沙等四州主干渠12条、支渠68条，使9万余顷土地恢复了灌溉。这次修复的沿河渠道坝闸，设计精细，质量坚固，直到明代中期还在继续使用。郭守敬从兴筑水渠到建筑水坝和水闸，是人类由储水到控水认识上的一个飞跃，也是人工灌溉史上的一个进步。
至元十三年（1276年），都水监并入工部，郭守敬任工部郎中。同年，忽必烈根据刘秉忠生前建议，命张文谦等主持修订新历，郭守敬与王恂受命率南北日官进行实测，提出了“历之本在于测验，而测验之器莫先仪表”的正确主张。郭守敬首先检查了大都城里天文台的仪器装备。这些仪器都是过去金国的遗物。其中浑仪还是北宋时代的东西。另外，天文台所用的圭表也因年深日久而变得歪斜不正。郭守敬立即着手修理，把它扶置到准确的位置。这些仪器终究是太古老了，郭守敬不得不创制一套更精密的仪器，为修历工作奠定坚实的技术基础。
通过一系列精准的天文测量，并且在南宋《成天历》的基础上，郭守敬等杰出的科学家终于克服了修订历法中的种种困难，非常成功的精确制订完成了《授时历》这部卓越的历法。公元1280年春天。忽必烈按照“敬授民时”的古语，将修订完成的历法取名为《授时历》。这部历法，反映了当时我国天文历法的新水平。它有不少革新创造，例如，定一回归年为365.2425日，比地球绕太阳公转一周的实际时间，仅差25.92秒，和现代世界通用的公历完全相同。
至元二十九年（1292年）郭守敬领导并开辟了大都（今北京市市区）的白浮堰，开凿了由通州到大都积水潭（今北京什刹海）大运河最北的一段——通惠河的修建工程。至元三十年（1293年）七月，忽必烈从上都（今内蒙古锡林郭勒盟正蓝旗草原）回到大都，路过积水潭，见其上“舳舻敝（蔽）水”，大悦，亲赐名为通惠河，并赐郭守敬钞一万二千五百贯，命他仍以太史令职兼提调通惠河漕运事。
大德七年（1303年），成宗下诏，凡年满七十岁的官员皆可退休，唯独郭守敬，因为朝廷还有工作依靠他，不准退休。由此形成了一个新例：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，享年八十六岁。
1970年，国际天文学会以郭守敬的名字为月球上的一座环形山命名为“郭守敬环形山”。1977年3月，国际小行星中心将小行星2012命名为“郭守敬小行星”。
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