元初，穆斯林、天文歷算學家札馬魯丁已服務於世祖忽必烈。只是尚未設置專門的官署。當時有一個「漢兒司天台」。至元八年(公元1271年)另置「回回司天台」，秩從五品，以札馬魯丁為提點。皇慶元年(公元1312年)升為監，秩正四品。回回司天監同漢兒司天監一樣，職掌觀測天文氣象及編製曆法等事務。但是回回司天監的規模要稍微小一些。
至元四年(公元1267年)，札馬魯丁撰寫《萬年曆》，世祖頒行。至元十三年(公元1276年)，詔郭守敬等編製新曆。至元十七年(公元1280年)新曆編成，賜名《授時歷》。次年頒行。《萬年曆》不復傳。但據清代人說法，「萬年本法，嘉靖時(公元1522—1566年)尚在」。關於《授時歷》，一說本於《萬年曆》；一說另有所本，只是「陰用回回」而已。《萬年曆》屬「回回」系曆法，它將黃道分十二宮，周天分三百六十度，而不是中國傳統的二十八宿。這一曆書由官方統制，禁止私刻私售。至元十六年(公元1279年)司天少監可馬剌丁曾編製《回回曆》。可馬剌丁曆書的命運如何不得而知。
明初洪武元年(公元1368年)，設回回司天監，後改為欽天監回回曆科。同年，太史院使劉基進呈《大統歷》。這一年及第二年，詔征故元回回司天監黑的兒、阿都剌，監丞迭里月實及台官鄭阿里等數人至南京，參與「觀象衍歷」的工作。洪武元年(公元1368年)十二月，改太史院為司天監，另置「回回司天監」，秩正四品。洪武三年(公元1370年)改司天監為欽天監。洪武十八年(公元1385年)於南京雞鳴山和雨花台各設一個觀星台。雨花台觀星台屬回回欽天監。洪武三十一年(公元1398年)取消回回欽天監機構，其職司統歸欽天監回回曆科。欽天監的專業人員共分四科，即天文、漏刻、大統歷、回回曆四科。回回曆科的官員大都為中國穆斯林，而且事實上是世襲制。
洪武元年，在元大都(北京)獲得「回回天文書」一批。洪武十五年(公元1382年)，太祖朱元璋命翰林院李翀、吳伯宗同回回大師馬沙亦黑、馬哈麻等翻譯這些書。洪武十六年(公元1383年)譯完，並寫成《回回曆》。此外，馬沙亦黑另外完成《馬沙亦黑回回曆法》(三卷)。洪武十七年(公元1384年)，《回回曆》作為《大統歷》的輔助曆書得以頒行。這部曆書在成化十三年(公元1477年)經南京欽天監副貝琳修訂增為七卷，名曰《七政推步》。在明代，《回回曆》與《大統歷》參用達270餘年。那時，許多非穆斯林的天文歷算學家也在研究回回曆法，吸收其原理和方法，充實和改進中國曆法。這就是當時所謂的「會通回曆，以入授時」。據說「習其術而自成一家之言」者竟有六七家之多。可見，回回曆法的影響是多麼深遠了。
明萬曆三十八年(公元1610年)11月，欽天監預測天象有誤。朝廷決定調用懂西洋曆法的人士參與修訂曆法的工作。萬曆四十一年(公元1613年)有奏章闡述西洋曆法要略，主張起用西方傳教士改革曆法，編製新曆。崇禎二年(公元1629年)5月關於天象的預測，按《大統歷》與《回回曆》推算都有誤差；唯據西洋曆法推算與實際相符。於是，這年9月開設「西洋歷局」，俗稱「西局」。崇禎七年(公元1634年)，西局以《西洋曆書》29卷及星屏一具進呈皇上。崇禎九年(公元1636年)及崇禎10年關於月蝕及天象的預測，《大統歷》、《回回曆》又一次失誤，而西局的推算卻是正確的。依據西洋曆法，西局於崇禎十四年(公元1641年)十二月編就了崇禎十五年(公元1642年)的新曆。
明清鼎革，清朝採用西洋曆法。順治二年(公元1645年)，清廷起用西方傳教士編製《時憲歷》。順治十四年(公元1657年)，原回回曆科官員吳明炫(自稱其祖是馬沙亦黑)企圖恢複回回曆法。康熙三年(公元1664年)清官員楊光先又攻擊新曆法。次年(公元1665年)西方傳教士被逐出欽天監，復用《大統歷》。以楊光先為欽天監右監副，不久升為監正。康熙九年(公元1670年)因舊法屢屢失誤，楊光先、吳明炫(時為監副)被革職。西方傳教士南懷仁任欽天監副，代行監正事。從此以後，回回曆在中國不再使用。
元世祖忽必烈至元四年(公元1267年)，札馬魯丁在撰寫《萬年曆》的同時，造「西域儀象」七種。它們是：「咱禿哈剌吉」，即渾天儀(多環儀)；「咱禿朔八台」，即測驗周天星曜器(方位儀)；「魯哈麻亦渺凹只」，即春秋分晷影堂(斜緯儀)；「魯哈麻亦木思塔余」，即冬夏至晷影堂(平緯儀)；「苦來亦撒麻」，即渾天圖(天球儀)；「苦來亦阿兒子」，即地理志(地球儀)；「兀速都兒剌不定」，即晝夜時刻器(觀象儀)。至元十年(公元1273年)回回司天台申報，其公藏及提點札馬魯丁家藏的天文器具三種；此外還有外文書籍23類242部，廣及數學、天文、曆法、占星、醫學、化學、歷史、法學、哲學、文學等諸多方面。
數學 元朝郭守敬在編製《授時歷》時，採用了從伊斯蘭世界傳入的數學知識，特別是球面三角法。中國人在數學上使用阿拉伯數碼也始於元代。
地理學 元朝札馬魯丁製造的地球儀(「苦來亦阿兒子」)具有革命性的意義。這種地球儀是一個木製圓球，七分是水，綠色；三分是土地，白色；球面上畫有江河湖海，並貫穿著橫橫豎豎的經緯線。從基本形制看，同現在地球儀比較接近。有人認為，這一地球儀所體現的思想，是對中國傳統的「天圓地方」觀念的一種否定。
札馬魯丁在至元二十八年(公元1291年)還完成了《大一統志》(755卷)的編修。