元朝时期的科学也有所发展，出现了许多著名科学家，最有名的应该是水利、立法方面均有突出成绩的郭守敬了。郭守敬出生在一个学术气氛十分浓郁的书香世家。祖父郭荣是当时的著名学者，精通数学、水利。郭守敬从小沉静好思，学习十分专心，颇爱钻研，对自然现象很感兴趣，特别爱好天文学。他跟着祖父一面读书，一面观察自然现象，学得不少实际知识。并且在邢台西紫金山跟刘秉忠上学时，曾创造过一些天文仪器的模型。
据史书记载，有一次，15岁的郭守敬偶然得到一份《石本莲花漏图》，立刻被它迷住了。这“莲花漏”，原是北宋的一种计时器，由几个漏壶配合组成，结构特别复杂，因而计时也比以前的漏壶精确得多。遗憾的是，到元代时，莲花漏已然失传，不少著名机械学家对着图纸冥思苦索多年，仍然琢磨不出个道道。而郭守敬只用了几天工夫，就摸清了它的来龙去脉，并照着图纸成功地复制了一个莲花漏。
元朝初年，20多岁的郭守敬就勇敢地承担了邢台五里的疏通淤塞河道修建石桥的任务。全部工程用了45天就胜利地完成了，当地人民都很佩服他。郭守敬对发展生产非常重视，符合了元朝统一中国后广大人民的迫切要求。中统三年（1262年），刘秉忠的同学张文谦向元世祖忽必烈推荐“郭守敬习知水利，巧思绝人”。
在与忽必烈见面时，郭守敬不卑不亢，侃侃而谈，面陈了自己关于兴修水利的6条建议。他每说一条，忽必烈都要赞叹一声，最后，这位君王感慨万端地说道：“天下管事的人要都像这样，哪会有不劳而食者？”立即任命郭守敬为管理水利的提举诸路河渠。看来忽必烈是从心里喜爱和佩服这位学者型的臣下。
此后，这位具有远见卓识的水利专家身体力行，排除万难，先后完成了20多项农田灌溉、河道航运等工程，件件设计科学合理，收效显著，深得后人称道。其中最突出的，是对元大都（今北京）通惠河工程的修复。
当时，元大都是全国的政治经济文化中心。有大批的粮食和物资需要从江南运往京城。为长途运输方便，就必须靠大运河这条水路交通干线。但由于地理及历史的原因，大运河无法直接通到大都，只能通到河北通州。更为严重的是民赖以生存的粮食不能及时地运到京城。所以把运河开凿到京城就成为了多年来人们盼望已久的愿望。在此之前已经有许多水利方面的专家试图开凿它，终因水源问题得不到解决而告失败。郭守敬上任后，首先想到这个重要工程，并做了开凿河道的尝试，开始也没有成功。
水源问题也成为困扰郭守敬的最大问题。公元1291年，郭守敬经过多次实地勘测，找到了水源，立刻向忽必烈提出开凿大都运粮河的新方案。他根据大都周围西北高、东南低的地形，将大都西北昌平神山（今凤凰山）脚下的白浮泉先引入瓮山泊，并让这条引水河在沿途拦截所有原先从西山东流的泉水，汇合成流，这样，便可使运河水量大大增加。另外，由于这些泉水清澈明净，几乎不含泥沙，在运河下游还可建立一系列控制各段水位的闸门，以便运粮船能够平稳行驶。
忽必烈听着这个颇具科学道理又切实可行的开凿计划，深感满意。于是立即下令重设掌管水利工作的专门机构--都水监，任命郭守敬全权负责。第二年刚开春，这项千秋功业在郭守敬的精心打造下开始了。
60多岁的郭守敬雄心不减，他率领几万军民，夜以继日，艰苦奋战，只用了一年半时间，这条全长160多华里的运河便全部竣工，一切就像郭守敬预想的一样成功。忽必烈喜不自胜，亲自为这条运河取名为“通惠河”。从此，南来的运粮船及各路商船可以一直驶进大都城内了。以后明清两代的水路运输，都始终受益于通惠河。
除了水利方面，在历法方面郭守敬也是成绩斐然。元世祖忽必烈从巩固其封建统治出发，顺应当时历史发展的要求，重视发展农牧业生产，这也就必然会导致历法改革，于是他派王恂主持这项工作。同时，郭守敬率先提出：“历之本在于测验，而测验之器，莫先于仪表”的革新主张。他认为只有打破陈规，根据天象观察、实验，才能定出比较准确的历法。
于是，郭守敬就在宋代原仪器的基础上进行改制，并在实践中重新设计，在3年的时间里，改制和重新创造了10多种天文仪器。其中主要的是把简仪、赤道经纬和日晷三种仪器合并归一，用来观察天空中的日、月、星宿的运动，改进后不受仪器上圆环阴影的影响。高表与景符是一组测量日影的仪器，是郭守敬的创新，把过去的八尺改为四丈高表，表上架设横梁，当石圭上放置的景符透影和景符上的日影重合时，即当地日中时刻，用这种仪器测得的是日心之影，较前测得的日边之影精密得多，这是一个很大的改进。
郭守敬还根据“四海测验”的结果，并参考了1000多年的天文资料，70多种历法，互相印证对比，破除了子午线日月五星和人间吉凶相连的迷信色彩，按照日月五星在太空运行的自然规律，在至元十七年（1280年），编制成了新历法--《授时历》。
《授时历》推算出一个回归年为365.2425日，即365天5时49分20秒，与地球绕太阳公转的实际时间，只差26秒，和现在世界上通用的《格里高利历》（俗称的阳历）的周期一样，但《格里高利历》是1582年（明万历十年）才开始使用的，比郭守敬的《授时历》
晚300多年，可见郭守敬所编《授时历》的伟大性。郭守敬一生为科学事业呕心沥血，直到年近七旬之时，还担负着兴建铁幡竿水渠工程的重任，并亲自勘测了这一地区的全部水文地质情况，制定了工程方案。可惜，当时主管这项工程的官员缺乏远见，把郭守敬所定的河道宽度减少了三分之一。结果，一到雨季，山洪直涌河道，由于河道狭窄，大水外溢，两岸顿时变成一片汪洋，百姓的生命财产遭到巨大损失，连元成宗的行宫也险些被冲毁。这位皇帝不由跌足叹道：“可惜当初没听郭太史的话！”
戏剧是元朝文学艺术中最重要的组成部分。早在唐代的时候，戏剧就已经出现了，只不过那时的戏剧还显得比较单薄，内容远远没有元代那时充实。戏剧在元朝得到了很好的发展，为什么戏剧会在元朝这样的朝代有它巨大的发展空间，而不是在文化空前繁荣的大唐盛世流行？
这与当时元朝所制定的等级政策是分不开的。能够写剧本的人必定是有文化的读书人，而读书人在元朝却被列在第九等，比第八等的妓女身份还要低下。在元朝之前，读书人可以通过科举考试来走上自己的仕途之路，所以那时的读书人的地位还是比较高的。可到了元代，朝廷取消了科举考试，这样读书人就没有途径来实现自己的抱负了。
为了自己的生存，同时又可以有一个展现自己的方式，许多读书人结交了当时同样地位低下的戏剧人，开始写剧本。至此，大批读书人的加入大大提高了戏剧的文学性和艺术性。这大批的读书人中就包括日后戏剧界的泰斗关汉卿。
以关汉卿的才能若生活在重学的其他朝代，考取一个功名是不成问题的。可生活在公元13世纪元朝的关汉卿则没有他自己的出路。关汉卿并不是死读书的那种人，他为人机智幽默，风流倜傥，博学多才，富有正义感和同情心，擅长吟诗、吹箫、弹琴、舞蹈、下棋、打猎等各种技艺。
关汉卿长期居住在都城大都里，曾经在皇家医院任职，但是他对医术不太感兴趣，由于上述的那些独特的个性和才情与特定的时代环境，便驱使他热心于剧本的创作，走上了终身以戏剧创作为职业的人生旅途，于是一位世界级的剧作大师就这样诞生了。
当时，元朝政治黑暗腐败，社会动荡不安，阶级矛盾和民族矛盾十分突出，冤案多得数也数不清，各族劳动人民都过着悲惨的日子。关汉卿非常同情生活在社会底层的老百姓，他辞去官职，进入社会底层了解人民生活，借助元杂剧这种艺术形式来揭露现实黑暗，寄托自己的社会理想。杂剧在内容上丰富了民间说唱故事，而且广泛反映了社会现实，达官贵人和普通百姓都很爱看杂剧。
关汉卿了解人民疾苦，多方面接触和了解到人世间的悲欢哀乐与世态人情，感受到底层人民的痛苦、挣扎、反抗，以及他们的愿望和理想，使他形成了强烈的平民意识。同时他又具有卓越的艺术修养，这都为他的创作注入了活力。当时，演戏的人社会地位很低，关汉卿却经常和他们交往，甚至亲自导演和上台演出。在他写的一支曲子里，他描述自己坚强、耿直的人格时说：“我是个蒸不烂、煮不熟、捶不扁、炒不爆、响当当一粒铜豌豆。”所以，他创作的剧作，不仅深刻地反映了社会现实，而且还弥漫着昂扬的战斗精神。
在数十年的创作生涯中，他共写下杂剧60多种（今存18种），不论数量还是质量，他的作品均为元杂剧之冠。杂剧而外，他还创作了许多散曲，今存小令50多首，完整的套曲12篇。
流传下来的18本“关剧”，依题材划分，可大致分为公案剧、爱情婚姻剧和历史剧三类。作品的题材大多与元代社会的现实生活息息相关：有的直接取自当时的生活，有的虽然借用了历史文献或民间传说中的故事框架，但所反映的仍然是元代的生活，即使是以历史故事为题材的作品，也打上了作者那个时代的浓重烙印。他的剧作中以《窦娥冤》为最重要的代表。《救风尘》、《望江亭》、《鲁斋郎》、《拜月亭》、《调风月》、《单刀会》等几部作品，也分别代表关汉卿杂剧在不同方面的成就。关汉卿的戏剧语言十分有特色，他是中国古典戏曲本色派的语言大师。他继承古代诗词精心提炼语言、注重表现意境的优良传统，熔铸经、史、子、集的各种语汇，吸取平民百姓生动活泼的口语俗谚，锤炼成质朴自然、生动鲜明、丰富多彩的戏曲语言。
在他的作品中，不同身份、不同性格的人物，其语言都带有鲜明独特的个性色彩，关剧在艺术上有着卓越的创造性。在人物唱词的动作感、舞台性以及曲白方面，都处理得恰到好处。这显然得益于他通晓音律、长于歌舞、拥有丰富的舞台实践经验。正如王国维所说：“关汉卿一空依傍，自铸伟词，而其言曲尽人情，字字本色，故当为元人第一。”
由于他的伟大成就，关汉卿被后人列为元曲四大家之首。同时，关汉卿的戏剧创作在中国戏剧史和文学史上占有重要的地位，被称为“元杂剧的鼻祖”。他的剧作被译为英文、法文、德文、日文等，在世界各地广泛传播。因此，关汉卿在世界文学艺术史上也享有极高盛誉，被称为“东方的莎士比亚”。
元朝重视自然科学的发展，其发展状况也是历朝历代所不具备的，由于元代鼓励贸易的自由及其特殊的超大疆域，所以形成了一类特殊的科学家队伍，这支队伍与中国本土的科学家一起把元代的科技水平推向了世界的顶峰。
元朝的天文学具有浓厚的“吸收”色彩，但是可以肯定地说，在元朝，天文学方面的科学技术造诣是世界级水平的。元世祖忽必烈在尚未登基之前，就征招“回回”为星学者。他们翻译及带来诸如托勒密的《天文大集》，伊本·优努斯（也译做尤尼）的《哈基姆星表》（也译作《哈基姆历数书》）等天文学著作。这些在当时都是世界上比较先进的天文图书，它们的引进让中国研究天文学的科学家们开阔了眼界，给中国天文学带来了活力。
公元1260年，元朝仿照金人的旧制，设立司天台；1271年正式设立回回司天台，1312设立回回司天监。后来还任用了一大批以札马剌丁为代表的天文学家管理此类工作。札马剌丁等一批天文学家先后在这里工作，为中国天文历算的完善和发展做出了巨大的贡献。这些天文学家们不仅带来或使用一批先进的天文仪器（主要来自阿拉伯及波斯），而且还设计并制造了许多先进的天文仪器。
札马剌丁自己制作的天文仪器有多环仪、方位仪、斜纬仪、平纬仪、天球仪、地球仪、观象仪等7种。这些仪器，当时在世界上是极其罕见的。研究科学史的英国李约瑟博士在谈及地球仪时说：“除公元前2世纪马洛斯的克拉特斯古地球仪（已失传）外，没有比马廷·贝海姆1492年的纪录更早的人。”可是札马剌丁的地球仪却诞生于1267年，比马廷·贝海姆的记录整整早了225年。
札马剌丁的地球仪是球状的，体现了寰球这一科学概念与设想。这无疑对中国传统的“天圆地方”观念进行了勇敢的否定，这可以与当时布鲁诺提出的观点相提并论，只不过布鲁诺没有札马剌丁幸运，他最终被当时统治欧洲的教廷烧死。这与当时元朝宽松的科技政策是没法比的。
这时，我们本土的科学家，在天文学方面，也是成绩斐然的。天文学家郭守敬设计、制造了简仪、仰仪和圭表等天文仪器，比丹麦人第谷的同样的仪器要早300年。同时，他主张以实际观测为依据，在全国各地建立了规模庞大的天文监测网。另外，郭守敬还设计、制造了大型计时仪器--七灯漏（大明殿灯漏），该仪器是反映中国古代计时机械制造技术水平的代表作。
在历法方面，札马剌丁依照阿拉伯历法编制有《万年历》；而王恂与郭守敬等合作，在反复学习、稽考《哈基姆星表》及其他资料的基础上，于公元1280年编制完成一部著名的历法--《授时历》。