郭守敬摒弃了把几种不同坐标的圆环集中在一起的做法，废除了浑仪中设有的黄道坐标环组，而且把浑仪中的赤道坐标环组和地平坐标环组分解成两个独立的部分——赤道装置部分和地平装置部分。前者由北高南低的两个支架支撑极轴，极轴的南端内外套叠着固定的百刻环和游旋的赤道环，南北两极之间夹着四游双环，四游双环中装有窥衡，与浑仪中窥管不同的是，它是依靠窥衡前后横向突出物上的两个圆孔来瞄准天体的。窥衡对准天体后，从四游双环以及百刻环和赤道环的相对位置上可以读出天体的赤道坐标。地平装置部分由安放在下部的固定的地平环以及可绕铅垂线旋转的立运环组成，立运环中间夹有窥衡，窥衡瞄准天体后，从地平环和立运环上可以读出天体的地平坐标。
简仪中的赤道装置部分，与现代天文望远镜中的赤道式装置原理完全一样。所以，英国著名科学史家李约瑟在评价简仪时说：“对于现代望远镜广泛使用的赤道装置来说，郭守敬的做法实在是很早的先驱。”
郭守敬所制的简仪未能保存至今，但明代仿制的一台简仪如今还存放在南京紫金山天文台。
郭守敬还研制了仰仪。与简仪一样，它也是郭守敬首创的一种仪器，其形状好像一口平放的大锅，“锅”的直径达12尺，高为6尺。“锅”口有水槽，注水后便可校正仪器置放是否水平。在“锅”的南部放置东西向和南北向的竿子各一根，南北向的竿延伸到半球中心，称缩竿，它可以在南北方向上稍作伸缩，以便使竿顶连着的玑板中的小圆孔精确地位于半球中心，玑板还可以绕南北向和东西向转动。东西向的杆称衡竿，它的作用只是用来架住南北向的杆。在仰仪的内半球上，刻有赤道坐标网，不过这个坐标网和实际的天球坐标网东西、南北、上下正好颠倒。转动玑板，使它正好正对太阳，太阳光通过玑板中心的小孔在仰仪的内半球上成像，从坐标网上即可读出太阳在天穹上的视位置。日食时，针孔还可以把太阳像投影在“锅”内，据此可以确定日偏食的食分、日食发生和结束的时刻。
郭守敬研制的天文仪器，除上面已介绍的高表、景符、窥几、简仪、仰仪5种外，还有候极仪、浑天象、玲珑仪、立运仪、证理仪、日月食仪、星晷定时仪等7种，以及专供野外观测用的正方案、丸表、悬正仪、座正仪等4种。在此不作一一介绍。总的说来，郭守敬研制的各种天文仪器都具有精确、灵巧、简便等优点，无怪乎明代初年修成的《元史》中，称誉郭守敬研制的仪器“皆臻于精妙，卓见绝识，盖有古人所未及者。”
举世闻名的“四海测验”
如上文所述，为开展精确的天文实测工作，编制出一部高质量的历法，郭守敬创制了大量的天文仪器。但这并不是说，郭守敬是在这些新仪器问世后才开始进行天文观测的。实际上在至元十三年（1276），郭守敬刚从工部调到太史局，他就开始用旧圭表测定每日中午的圭影长度，以便推算当年的冬至时刻。这以后，郭守敬的天文实测工作一直没有间断，他始终坚持一面使用旧仪器从事天文实测工作，一面又研制新仪器。至元十五年（1278），新天文仪器的研制工作已接近完成，王恂和郭守敬向忽必烈建议：“建司天台于大都。仪象、圭表皆铜为之，宜增铜表高四十尺，则影长而真。”忽必烈采纳了他们的意见，拨款建造大都司天台，并装备仪器，充实人员，使它成为当时世界上最有名的天文台之一。
至元十六年（1279），新天文仪器的研制工作基本就绪，忽必烈又召见了郭守敬。郭守敬献上了所研制的一些仪表的样品，并当场加以试验、讲解，忽必烈大为欣赏。郭守敬乘机向他提出扩大天文观测范围的建议。郭守敬认为，唐朝一行于开元年间令南宫说天下测影，在全国选择了13个观测点。而元朝的疆域比唐朝还要大，所以天文观测范围也应进一步扩大。只有通过大规模的天文实测工作，积累足够的资料，才能编制出精确的历法。忽必烈采纳了郭守敬的意见。于是，在忽必烈的支持下，郭守敬在全国选定了27个观测点，其中最南的南海纬度仅15度，而最北的北海纬度高达65度，在这些观测点上开展了大规模的天文测量，测量每一地方的北极出地高度（相当于当地的纬度）、夏至日圭表的表影长度、夏至日昼夜的长短等。这就是郭守敬举世闻名的“四海测验”。
在郭守敬进行的“四海测验”工作中，有两件事是要特别加以强调的，一是在阳城（今河南省登封县告成镇）的天文测量工作，二是在大都司天台的天文测量工作。
阳城自古以来被人们称为“地中”（大地的中央），历代天文学家都很重视在那里开展天文观测。唐朝一行主持的大规模天文观测所得的数据，主要是取阳城的数据为标准进行比较和归算的，所以郭守敬也特别重视这个观测点。别的许多观测点由他派人前往观测，而这一观测点则是他亲自前往开展观测的，而且在那里建造了永久性的建筑，这就是著名的元观星台。
该观星台有一巨大的石圭自南向北延伸，其影表尺长度正好是128尺。因此这座建筑物实际上就是一个特殊的高表。4丈高的表很可能建造时就省去了，因为此建筑物略低于左右两窗的中部可以横向搁置一根梁，它离圭面的高度正好是4丈，它可以起高表中的横梁的作用，配合景符同样可以在圭面上投影出被横梁平分的日影。该建筑物北面的左右两侧有踏道盘旋而上，直至顶部宽阔的平台，在那里可以安置仪器开展天文观测，如观测测量北极星的测地高度等。
在大都司天台的天文测量工作，郭守敬当然更为重视。该台是郭守敬列出的“四海测验”中27个观测点中的一个，与其他观测点一样的常规天文测量工作当然是必须进行的。除此之外，郭守敬还主持开展了三项重要的测量工作，一项是测量二十八宿距星的位置，所谓距星是二十八宿中每宿选定的一颗定位用的标准星，对它们的位置的精确测定是测量其他恒星坐标的基础。第二项是郭守敬在测得二十八宿距星位置的基础上，又测量了数以千计的肉眼可见恒星的坐标，并编成星表呈报忽必烈，可惜由于该星表已失传，其详细情况我们已不得而知了。在大都司天台，郭守敬开展的第三项重要的测量工作就是测量“黄赤道内外极度”，即黄道与赤道间的交角，如果我们把以观测者为中心、天穹半径视为极其巨大的假想球称为天球，那么赤道就是地球赤道面向外扩展与天球相交的大圆，而黄道则是太阳一年中在天球上众恒星间穿行所绘出的大圆，两者间的交角便是黄赤交角。郭守敬当时已发现此角逐年有微小的变化，而且此角测定的精确与否会影响到编历工作中的其他结果，特别对日月食预报的正确性颇有影响，所以他主持对此交角进行了长期的实测，最后获得了相当精确的结果。
授时历诞生