郭守敬字若思，顺德邢台人。祖父郭荣精通五经、算术、水利。守敬先从刘秉忠为师，中统三年(1262)被张文谦推荐去学习水利，思维敏捷过人。
世祖召见，守敬面陈水利六事：其一，由中都至通州之旧漕河，引玉泉水可通舟楫，进行漕运，每岁可节省雇车钱六万缗。通州以南，于蔺榆河口径直开渠引水，由蒙村跳梁务至杨村注入黄河，可避免浮鸡氵甸水浅流急和风浪之患。其二，将顺德达泉引入城中，分为三渠，灌溉城东田地。其三，顺德沣河东至古任城已失故道，淹没民田千三百余顷。若将此水开修成河，既可得田耕种，又可自小王村经滹沱，合入御河，通行舟筏。其四，磁州东北滏、漳二水合流处，引水由滏阳、邯郸、氵名州、永年下经鸡泽，合入沣河，可灌田三千余顷。其五，怀、孟之间沁河，浇灌左右两岸田地，犹有余水，使之东与丹河余水相合，再引向东流至武陟县北，合入御河，可灌田二千余顷。其六，黄河自孟州向西开渠引水，分一支渠，经由新、旧孟州中间，顺河的古岸而下，至温县南复入大河，其间亦可灌田二千余顷。每奏一事，世祖都点头称是，并说“：办事的人都像这样，那就没有白吃俸禄的了。”于是授守敬提举诸路河渠。四年，加授银符，使任副河渠使。
至元元年(1264)，随张文谦至西夏。西夏地方，古渠之在中兴者，一名唐来，其长四百里，一名汉延，长二百五十里。其他州郡主渠十条，皆长二百里，支渠大小六十八条，灌田九万余顷。但兵乱以来，这些河渠都被淤塞。守敬重新建立闸堰，使河网灌溉如往日一样。
至元二年，郭守敬受任为都水少监，建议“：自中兴乘船四昼夜至东胜，可进行漕运，沿河见查泊、兀郎海古渠甚多，应加以疏通。”“金时，自燕京之西麻峪村，分引卢沟河水一支东流，穿西山而去，是谓金口。其水自金口以东，燕京以北，灌田若干顷，其利不可胜计。兵兴以来，地方守将以大石堵塞。如今应加以疏通，使上可收西山之利，下可以扩大至京畿的河道。”“还应于金口之西预开一条浅水渠，西南通大河，以防涨水突入之患。”世祖认为这些建议都很好。至元十二年(1275)，丞相伯颜南征，打算建立水运站，命守敬视察河北、山东一带可通舟行船的地方，绘图奏报。
刘秉忠认为辽、金所行之《大明历》，已有二百余年，须加修正，但未付诸实行就去世了。至元十三年，江南平定后，世祖想起了修改历法的事，命守敬与王恂领导南北天文官员，分头观测，命张文谦与枢密使张易总其成奏报，左丞相许衡参预其事。守敬首先认为“：制定历法的基础在于观测，而观测首先要有仪表。今司天浑仪系宋代皇..年间汴京所造，与此处天度不相符合，比量南北二极约差四度，仪表因年深日久，也有偏差。”他制作一系列天文仪器，计有简仪、高表、候极仪、浑天象、玲珑仪、仰仪、立运仪、证理仪、景符、窥几、日月食仪、星晷定时仪、正方案、丸表、悬正仪、座正仪等，用以观测天体运行、经纬度和日月食。还制作了《仰规覆矩图》、《异浑盖图》、《日出入永短图》。图与仪表互相参考。
至元十六年(1279)，改局为太史院，以王恂为太史令，守敬为同知太史院事。是年守敬进呈所制仪表，对世祖详加解说，奏称：“唐朝开元年间，僧一行令南宫说于南北各地设点观测，书中所见到的观测点有十三处。今我元朝疆域远比唐大，若不在远方进行观测，则不知日月交食分数时刻不同，昼夜长短之不同，日月星辰离天高下之不同。目测的人少，可先南北立表，取直测影。”世祖批准了他的建议。于是设监候官一十四员，分道至各地进行观测，东至高丽，西极滇池，南越朱崖，北至铁勒，四海之内设立观测点共二十七处。
至元十七年，新历告成，守敬与诸臣共同上书，其大意是：中国在西汉以前尚无历法，西汉制定了《三统历》；东汉有《四分历》；三国时期刘洪造《乾象历》；魏晋南北朝时期，姜岌制定《三纪甲子历》，何承天制定《元嘉历》，祖冲之制定《大明历》；隋代刘焯制定《皇极历》；唐代傅仁均制定《戊寅元历》，李淳风制定《麟德历》，僧一行制定《大衍历》，徐昂造《宣明历》。又二百三十六年之后，有宋代姚舜辅制定《纪元历》。前后一千一百八十二年中，历法经过了七十次修正，创造历法者有一十三家之多，每次修改创造，都是对天象的新认识。如今大元圣朝要改治新历，臣守敬等创造了简仪、高表，藉以测量周天度数，校正以往观测之失误者七事，即：冬至、岁余、日躔、月离、入交、二十八宿距度、日出入昼夜刻；新创者五事，即：太阳盈缩、月行速缓、黄赤道差、黄赤道内外度、白道交周。关于冬至时间，据测定：至元十四年在十一月初九日夜半后八刻半，至元十五年在十一月二十四日夜半后三十三刻，至元十六年在十一月四日夜半后五十七刻半，至元十七年在十一月十五日夜半后八十一刻半。这四年的冬至时间各比《大明历》中的冬至时间减十八刻。关于日出日没时间及昼夜长短，郭守敬等人的奏章中指出：《大明历》日入日没时间及昼夜长短，皆以汴京为准，现以大都为准，夏至极长，日出寅正二刻，日没戌初二刻，昼长六十二刻，夜长三十八刻，冬至极短，日出辰初二刻，日没申正二刻，昼长三十八刻，夜长六十二刻。
至元十九年，王恂卒，这时新编历法已付诸实行。郭守敬将观测、推算的材料，分类整理，撰成《推步》七卷、《立成》二卷、《历议拟稿》三卷、《转神选择》二卷、《上中下三历注式》十二卷。至元二十三年(1286)郭守敬继任太史令，上表进呈天文、历书，计有《时候笺注》二卷、《修改源流》一卷、《仪象法式》二卷、《二至晷景考》二十卷、《五星细行考》五十卷、《古今交食考》二卷、《新测二十舍杂坐诸星入宿去极》一卷、《新测无名诸星》一卷、《月离考》一卷。
至元二十八年，有人说滦河自永平挽舟逆水而上，可至开平；有人说泸沟自麻峪可至寻麻林。朝廷派守敬去考察，实际上是滦河既不能行舟，泸沟亦不通航。守敬因而陈奏水利十一事。其中之一是：大都运粮河道，不用一亩泉旧道，而可别引北山白浮泉水，先向西而后折向南，经瓮山泊，自西水门入城，汇于积水潭，再向东折而南，出南水门，合入旧运粮河。每十里置一闸，到通州沿河设七闸，各闸相距一里多。闸上设闸门闸板，借以截断流水，便于行船。世祖看后大喜，令立即按规划进行。于是再设置都水监，使守敬主持该都水监的工作。又命丞相以下官员都携带工具去参加劳动，由守敬统一指挥。原来，通州至大都，陆运官粮，每岁若干万石，秋季多雨，运粮驴畜死者不可胜计。新河道开通后，不再陆运官粮了。至元三十年，世祖自上都至大都，路经积水潭，见满河船只首尾相连，十分高兴，题名为“通惠河”，赐守敬钞万二千五百贯，并令他以原职兼管通惠河漕运事。守敬又建议于澄清闸稍东，引水与北坝河相接，且设闸于丽正门西，使船只能环城往来通行。但这一规划未能实现。
至元三十一年(1294)，守敬受任为昭文馆大学士、知太史院事。大德二年(1298)，召守敬至上都，商议开铁幡竿渠。守敬认为“山上洪水频年暴下，非修建宽五十或七十步的大渠堰不可”。执政者不愿多投工费，说守敬是夸大其词，把渠堰的宽度缩小三分之一。第二年大雨，山洪注下，渠小不能容纳，淹没人畜屋舍，甚至几乎漫及行宫。成宗对宰相说“：郭太史真是神人，可惜没有采纳他的意见。”大德七年，诏朝廷内外官员，凡年满七十者，都可申请并批准退休，唯有守敬不许申请。从此以后，翰林、太史、司天官不退休，成为定制。
延..三年(1316)，郭守敬寿终正寝，享年八十六岁。