1276年，元军攻占南宋都城临安（今浙江省杭州市），全国统一已成定局。就在这一年，元世祖忽必烈入住大都，决定编制新历，特地成立专门机构──太史局。
那时候，敦守敬在水利部门任职，但他精通天文，元世祖就将他抽调出来，到太史局从事编制新历工作。编制新历工作一开始，郭守敬就提出：“制订历法的根本在于实际观测，而观测离不开仪表，所以准备精准的仪表是首先要考虑的问题。”
他所谓的“仪表”，是古代天文观测的两类主要工具。一类为浑仪，它是用来观察、测定天体在空中运行位置的工具；另一类为圭表，它是用来测定二十四节气，特别是冬至和夏至确切时刻的工具。
圭表的“表”，是一根垂直立在地面的标竿，它可以用竹木制作，也可以用金石制作；“圭”，是从表的跟脚沿水平向北方延伸的一条石板。每当太阳转到正南方的时候，表影刚好落在圭面上。测量表影的长度，就可以推算出冬至、夏至等节气的时刻。表影最短的时候就是夏至来临。
圭表是古代中国人创制的一种天文仪器。这种仪器乍看起来极简单，可使用起来却会遇到几个困难。首先是表影边缘不清晰。阴影越靠近边缘，颜色越淡，到底影子的尽头在什么位置，很难判断。影子的边界不清，影长就测量不准。其次是测量影长的技术欠精密。古代量长度的尺，一般只能量到分，往下可以估计到厘，即十分之一分。按照传统方法，测量冬至影长，如果量错一分，按此推算出来的冬至时刻就会有一个或半个时辰的误差。古代将一日分成12个时辰，一个时辰合现今两小时。这在天文历法上是很大的误差。最后是圭表只能观测日影，不能观测月影和星影。
面对这些困难，唐宋以来，科学家们想过许多办法，但始终没有解决好。郭守敬在困难面前没有退缩。他从分析产生困难的原因入手，然后针对各个原因，分别寻找对策，解决困难。
前代的“表”仅高八尺，表影很短，表影边缘模糊，测量错一点，实际误差很大。敦守敬设计的圭表，称为“高表”，就是把表竿增高至40尺，提高到五倍，因而观测时的表影也加长到五倍。表影加长了，表影边缘的清晰度明显提高，测量的数据精确多了，按此例推算节气的误差也就明显减少了。另外，高表顶部还架设了一根横梁。
高表还不能彻底解决表影边缘清晰度的问题。郭守敬创造了一个称为“景符”的辅助仪器，用来提高测量的效果。景符，即影符。它是一片四寸长、二寸宽的铜叶，正中开一个针孔那样的小洞。铜叶的一端用枢纽接在一个二寸见方的框子边上；另一端用小棍支撑起来，就跟箱子盖那样可以自由启闭，以便调节其倾斜度。将景符放置在圭面上，正对太阳，日光通过小孔，射到圭面上，就会形成一个极微小的太阳像，非常明亮。测量正午日影时，先将景符放在圭面上影端旁边，使符面垂直于日光，然后前后移动景符，使太阳、高表顶部横梁与符上小孔三者正好处在同一条直线上，那么，圭面上所显露出的太阳像跟米粒大小，亮晶晶的，中间有一条细如发丝的横梁影子，立刻记下它的位置，就可以测量日影的长度了。这样的表影长度，当然会比以前圭表测影要精确得多。
郭守敬还创造了一个叫做“窥几”的辅助仪器，使圭表在星光和月光下，同样可以测量影长。
郭守敬改革圭表的工作大约完成于1277年夏天。这对于编制新历具有重大意义。元朝编制的《授时历》于1281年颁布推行。《授时历》以365.2425日为一回归年，现代测定的一回归年为365.2419日，两者相关仅26秒。现在世界通用的公历，即格里高利历，同样采用365.2425日为一回归年，但它的颁行，要比《授时历》晚300年。
