北宋时进行了多次较全面的恒星观测。元丰（1078—1085年）年间观测的结果，于元祐三年（1088年）绘成星图，南宋淳祐七年（1247年）又在平江府（今江苏苏州）刻石，称为《天文图》。

景德三年（1006年）关于“客星”的记载，是世界上著名“超新星”中的最早记录；至和元年（1054年）关于世界天文史上最著名的“超新星”的记录，在现代天文学研究中极受重视。

元祐（1086—1094年）时，苏颂、韩公廉等人，创造了世界上第一台“天文钟”（水运仪象台），并将其结构写成《新仪象法要》，其中关于擒纵原理的发现，已开近代钟表构造的先河。他们还创造了“浑天仪”，球面按照恒星位置穿有小孔，人进入内部可看到模拟的天象，是世界上最早的“假天仪”。南宋绍兴年间，王及甫也制造过类似的“假天仪”。(www.daowen.com)

宋朝历法一共改了19次，是我国历史上历法改革频繁的朝代。历法的不断改革，反映了天文学研究的进步。南宋《统天历》相当精确。它定一回归年的长度为365．2425日，比实际周期仅差26秒，和现代国际通用的公历（《格列历》）完全一致，但比后者早了400多年。

这一时期与天文历法有关的数学也有进步，出现了北宋的贾宪、南宋的秦九韶、杨辉等著名数学家。贾宪的“开方作法本源”图，世称贾宪三角形，比西欧相同的帕斯卡三角形约早600年；他的“增乘开方法”，与霍纳的方法大致相同，但约早770年。秦九韶著《数书九章》，他的“正负开方术”发展了“增乘开方法”，算式井然有序，今人称之为“秦九韶程序”；而“大衍求一术”，则发明了整数论中一次同余式组的普遍解法，是闻名于世的中国剩余定理。南宋末杨辉著有《详解九章算法》、《日用算法》、《田亩比乘除捷法》和《乘除变通算宝》，后三种都是实用算法著作。