這個時期，我國的傳統天文學發展到最高峰。天文學各方面的水平都有較大的提高，這裡我們僅舉幾種天文常數為例，即可見其一斑。
關於回歸年長度，南宋《統天曆》(公元1199年編訂)和元代《授時歷》(公元1281年編訂)都取365.2425日，其誤差約22秒。現在我們所採用的公曆就是這一數值，它是羅馬教皇格里高里於1582年頒行的。《統天曆》中還明確提出回歸年長度值古大今小的新概念，並給出古今變化規律的數學表達式，這在天文學史上具有重要的意義。
關於冬至時刻的測定，郭守敬等人的結果誤差小於0.5刻(1刻等於14.4分鐘)。
關於赤道歲差值的測算，南宋時取得了77.57年差一度的結果，較理論值77.37年差一度，非常接近，在當時世界居於領先地位。
在交食周期研究方面，南宋取得4127個交點月與324個食年長度相當的結果，可推算一食年長度為346.6199日，與理論值之差僅約七秒鐘。而唐時測定的食年長度為346.6212日，與理論值相差137秒鐘。19世紀美國天文學家紐康提出與此等價的結果，備受天文學界推崇，被稱為紐康周期，但卻比我國晚了1000餘年。
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天文學的嶄新成就，曆法的進步，是與觀測儀器的進步分不開的。這時期，我國古代的觀測儀器都有很大的進步。
渾儀 前面我們曾講到張衡改進過渾儀，張衡之後歷代又都有所改進。特別是唐宋時期，不少人都製造了新的渾儀。
隨著渾儀的改進，環圈也不斷增長，以致有八九個之多，遮掩了很大的天區，校正、安裝、運轉都很不方便。所以宋以後渾儀出現了兩個方面的變革，一是減少環圈，二是改變一些環圈的安裝位置，以擴大視野。
宋代的沈括就提出改變環圈位置的建議，並取消白道儀。郭守敬進一步取消了黃道環，並創製了簡儀。簡儀設計新穎，結構獨特，是渾儀史上的一次革命。它的赤道裝置是近代大型望遠鏡赤道裝置的原型，地平裝置是近代地平經緯儀的先驅，窺衡里所用十字線是現在天文望遠鏡里十字絲的祖先。
水運儀象台 一行在張衡水運渾象的基礎上，設計製造了一台「水運渾天」。其結構，除有可自動運轉的渾象外，還安裝了自動報時器，這是近代天文鐘的濫觴。到北宋時，天文學家和醫藥學家蘇頌，又主持製造了「水運儀象台」。它高達12米，寬約七米，把渾儀、渾象、報時器和圭表合成一體。儀象台以水力為動力，通過複雜的齒輪系帶動運轉，能與天球的晝夜旋轉相吻合，又設置有木人，會擊鐘、擊鼓、擊鉦報告時刻更籌的消長。其中已創製有近似近代機械鐘錶里錨狀擒縱器的裝置，是近代天文鐘的鼻祖。台頂設有可活動的屋面板，開了近代天文台可開啟屋頂的先河。
漏刻 是我國古代的一種計時儀器，有水漏(浮漏)和沙漏二種，而以浮漏為主。公元1031年，北宋的燕肅對浮漏進行了重大的改進。他首次採用漫流系統，即讓浮漏中的水一直處於漫流狀態，使多餘的水從浮漏上部小孔流出，保證了浮漏有恆定的水位，提高了計時的準確性。
圭表 是我國古代測量日影長度的儀器。元以前都是用八尺高表，郭守敬進行了大膽創新，設立了四丈高表和景符測影法。即在高表頂端安一根直徑三寸的銅橫樑，景符是安在一個小框架上可轉動的薄銅片，中間開一小洞。當太陽過子午線時，把景符放在水平的圭面上南北移動，並轉動銅片，讓通過表頂的光線穿過小孔，在圭面上形成米粒大小、正中帶有銅梁橫影的影像。這樣，就克服了以往測影時因陽光散射使影子不清的缺陷，提高了測量精度。在光學測量儀器發展史上，這是一個具有重大意義的成就。現今河南登封觀象台故址，還保存著郭守敬所創高表的遺址。