宋代，中国天文学继续向前发展。宋代在三百余年内颁发过十八种历法，其中以南宋杨忠辅制定的《统天历》最优。《统天历》取回归年长为365.2425 日，是当时世界上最精密的数值，欧洲著名的《格里高利历》，即当今世界通行的公历，其回归年长亦取365.2425 日，但比《统天历》晚了三百多年。《统天历》还指出了回归年的长度在逐渐变化，其数值是古大今小。《统天历》提出的回归年消长的概念，也是较为先进的思想。宋代最富有革新的历法，莫过于北宋时期沈括提出的《十二气历》。我国历代颁发的历法，均将十二个月分配于春、夏、秋、冬四季，每季三个月，如遇闰月，所含闰月之季即四个月；而天文学上又以立春、立夏、立秋、立冬四个节令，作为春、夏、秋、冬四季的开始。所以，这两者之间的矛盾在历法上难以统一。针对这一弊端，沈括提出了以“十二气”为一年的历法，后世称它为《十二气历》。沈括在他的名著《梦溪笔谈》中写道：“直以立春之日为孟春之一日，惊蛰为仲春之一日，大尽三十一日，小尽三十日；岁岁齐尽，永无闰月。十二气常一大一小相间，纵有两小相并，一岁不过一次。”《十二气历》实为一种阳历，它既与实际星象和季节相合，又能更简便地服务于生产活动，可惜，由于传统习惯势力太大而未能颁发实行。

在进行具体的天象观测时，出现了许多大型仪器。宋代拥有水运仪象台和四座大型浑仪。其中北方的苏颂制作的水运仪象台，集观测、演示、报时于一体，是当时世界上最优秀的天文仪器。(www.daowen.com)

自宋至元，中国古代天文学发展至鼎盛阶段。宋、元两朝颁布的历法达二十多部，元朝郭守敬的《授时历》，连续使用了360 年，达到了中国历法的巅峰。郭守敬还创制了简仪和高表。