用的浑仪还是北宋年间的遗物，历经战乱损毁严重，刻度模糊，结构笨重，“测天之时，差谬良多”。其次是天文数据的匮乏。自唐末以来，战乱频繁，天文观测时断时续，缺少系统的记录，尤其是黄赤交角、回归年长度等关键数据，误差累积已达数百年。更重要的是，传统历法多依赖经验公式，缺乏严密的数学推演，难以应对天体运行的复杂变化。
面对困境，郭守敬提出“治历之本，在于测验；而测验之器，莫先仪表”的主张。他向忽必烈奏请：“今欲创法，当变旧法之器，先立仪表，测候日月星辰之行，然后能定历法。”这一建议得到批准，一场大规模的天文仪器革新与观测活动就此展开。
三、仪器革新：郭守敬的天文仪器创制
在郭守敬看来，传统浑仪存在三大缺陷：一是结构复杂，环圈交错，遮挡视线；二是刻度粗糙，精度不足；三是安装繁琐，难以校准。为解决这些问题，他从1276年开始，历时三年，创制了一系列精密的天文仪器，后世称之为“郭守敬仪器群”，其中最具代表性的有简仪、仰仪、圭表、景符等。
简仪是郭守敬对传统浑仪的革命性改造。他将浑仪中相互交错的环圈简化，分解为测量赤道坐标的“赤道经纬仪”和测量地平坐标的“地平经纬仪”，两者独立运行，互不干扰，彻底解决了“环圈遮挡”的问题。简仪的刻度采用“百分制”，将一度分为100分，精确到分，比前代的“度分六十进制”精度提高近一倍。更精妙的是，简仪装有“正方案”与“候极仪”，可快速校准仪器，使其轴线与地球自转轴重合，确保测量的稳定性。英国科学史专家李约瑟在《中国科学技术史》中评价：“简仪是当时世界上最先进的天文仪器，其设计理念比欧洲早三百多年。”
仰仪的创制体现了郭守敬的巧思。这是一种铜制的半球形仪器，状如仰放的锅，内壁刻有赤道坐标网，半球中心装有一块小板，板上有小孔，阳光透过小孔在内壁形成倒像，即可直接观测太阳的位置、食分与运行轨迹。仰仪的优势在于能在强光下观测太阳，避免观测者直视日光损伤眼睛，同时可精确记录日食的全过程。1277年夏至，郭守敬用仰仪观测日食，记录的初亏、食甚、复圆时刻，与现代计算结果相比，误差仅在两分钟以内。
圭表是中国最古老的天文仪器之一，用于测量日影长度以确定节气。郭守敬对圭表的改进主要在两方面：一是将表高从传统的八尺增至三十六尺，提高测量精度；二是发明了“景符”。景符是一片中间有小孔的铜叶，可通过支架调节角度，将表顶的影子清晰地投射在圭面上，解决了传统圭表因日光散射导致影子模糊的问题。通过圭表与景符的配合，郭守敬测得的冬至日影长度误差仅0.5毫米，这在古代堪称奇迹。
此外，郭守敬还创制了用于测量天体赤纬的“窥几”，用于模拟天体运动的“浑象”，用于测定时间的“漏刻”等仪器，形成了一套完整的观测体系。这些仪器不仅精度远超前代，更注重实用性与可操作性，如简仪的拆卸与安装只需两人配合，半天即可完成，极大提高了观测效率。
仪器制成后，郭守敬并未局限于大都的观测。他向忽必烈建议：“四海测验，方知天地广大，历法乃准。”1279年，元廷组织了一次规模空前的全国天文观测，在全国范围内设立27个观测点，北至北极圈附近的北海（今俄罗斯贝加尔湖），南至南海（今越南中部），西至凉州（今甘肃武威），东至高丽（今朝鲜半岛）。郭守敬亲自主持上都（今内蒙古正蓝旗）、大都、南京（今河南开封）三个核心观测点的工作，其余观测点则由他的弟子与各地官员负责。
这次“四海测验”取得了丰硕成果：测得黄赤交角为23°33′34″，与现代测量值23°26′21″仅差约0.12°；测得的二十八宿距度误差平均不到0.5