儀製後，郭守敬並未侷限於大都的觀測。他向忽必烈建議：“四海測驗，方知天地廣大，曆法乃準。”1279年，元廷組織了一次規模空前的全國天文觀測，在全國範圍設立27個觀測點，北至北極圈附近的北海（今俄羅斯貝加爾湖），南至南海（今越南中部），西至涼州（今甘肅武威），東至高麗（今朝鮮半島）。郭守敬親自主持上都（今蒙古正藍旗）、大都、南京（今河南開封）三個核心觀測點的工作，其餘觀測點則由他的弟子與各地員負責。
這次“四海測驗”取得了碩果：測得黃赤角為23°33′34″，與現代測量值23°26′21″僅差約0.12°；測得的二十八宿距度誤差平均不到0.5°；確定了全國27個觀測點的北極出地高度（即緯度），其中大都的緯度測量誤差僅0.02°。這些資料為新曆法的編制提供了堅實的科學基礎。
四、《授時歷》的編制與就
有了的儀與翔實的觀測資料，曆法編制工作進關鍵階段。王恂與郭守敬分工協作，王恂負責數學推演與曆法理論，郭守敬負責資料核驗與實踐應用，兩人“晝夜研思，未嘗懈”。
編制新曆法的核心是確定迴歸年長度。迴歸年是太連續兩次經過冬至點的時間間隔，是曆法的基礎。郭守敬團隊過分析近千年來的觀測記錄，結合“四海測驗”的新資料，採用“招差法”（即三次法）進行計算，得出迴歸年長度為365.2425日。這一數值與現代測量的迴歸年長度365.2422日僅差0.0003日，即每年誤差約26秒，度達到了當時世界領先水平。這一資料後來被歐洲的格里高利曆採用，而《授時歷》的頒佈比格里高利曆早了300多年。
在確定月行規律方面，郭守敬團隊發現月球執行的不均勻不僅與黃道有關，還與白道（月球繞地球執行的軌道）的變化相關。他們創立“白道周”法，確計算出月球過近地點與遠地點的時間，以及月食發生的條件，使月食預報的誤差從前代的數小時小到不足一小時。
節氣的劃分是農事曆法的關鍵。傳統曆法將一年分為二十四節氣，採用“平氣法”，即每個節氣間隔15天，忽略了太執行速度的變化。郭守敬據太在黃道上的實際位置，採用“定氣法”，將黃道分為24等份，太每執行一份即為一個節氣，如冬至時太位於黃道最南端，春分、秋分時太位於赤道。“定氣法”更符合實際天象，使農時指導更為準，這一方法一直沿用至今。
1280年，新曆法編制完，忽必烈取《尚書·堯典》中“敬授民時”之意，將其命名為《授時歷》。同年冬，《授時歷》正式頒佈施行，取代了沿用已久的《大明曆》。《授時歷》以365.2425日為一年，29.日為一月，採用“截元法”，即不以任何歷史時刻為曆法起點，直接以實測資料為依據，這在中外曆法史上都是一大創舉。
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