1264年（元世祖至元元年）張文謙被派往西夏（今甘肅、寧夏及內蒙古西部一帶）去巡察。那裏沿著黃河兩岸早已修築了不少水渠。寧夏地方（今銀川一帶）的漢延、唐來兩渠都是長達幾百裏的古渠，分渠縱橫，灌溉田地的麵積很大，是西北重要的農業基地之一。當年成吉思汗征服西夏的時候，沒有保護農業，兵馬到達的地方，水閘水壩都被毀壞，河渠多被填塞。張文謙想重興水利，恢複農業生產。所以他帶上了擅長水利的郭守敬。
郭守敬來到西夏，立即開展工作。有的地方疏通舊渠，有的地方開辟新渠，又重新修建起許多水閘、水壩。當地人民久旱盼水，紛紛出力幫忙，由於大家齊心協力，這些工程在短短的幾個月之內就完工了。
修完了渠，郭守敬就離開了西夏。在回京之前，他還有一個壯舉，就是逆流而上，探尋黃河的發源地。他是以科學考察為目的，專程探求黃河源頭的第一人。
1265年，郭守敬回到了上都，同年被任命為都水少監，協助都水監掌管河渠、堤防、橋梁、閘壩等的修治工程。1271年升任都水監。1276年都水監並入工部，他被任為工部郎中。
巧製儀器觀天文
我國的天文學在過去是很發達的，西漢以後，國家天文台已經達到很高的水平，天文學的主要任務之一是編製曆法。我國古代的曆法，內容是十分廣泛的，它包括日月運動規律及其位置的推算、一年日曆的編製、五大行星的位置、日食月食發生時間的推算等。曆法關係到生產、生活和政治活動等很多方麵，因此，朝廷曆來對這項工作都是相當重視的。一種曆法用久了，誤差就會越來越大，因而需要重新訂製。隨著每次重大的曆法的編製成功，總會有一些創造革新的進步，像基本天文數據的精密化、天文學理論的新成就或計算方法上的新發明等等。曆法的發展可說是中國天文學發展的推動力。
元朝初年使用的曆法還是過去金朝使用的曆法。這個曆法經過幾十年的使用，發現誤差越來越多，發生過好幾次預測與實際天象不符的事。
元軍攻下了南宋首都臨安（今浙江杭州），全國統一已成定局。就在這一年，元世祖遷都到大都，決定修改舊曆，頒行元王朝自己的曆法。於是，元政府下令調動了全國各地的天文學者編修新曆。
這件工作的具體負責人是郭守敬的好朋友王恂，王恂就想到了老同學郭守敬。雖然郭守敬一直是在水利部門任職，但他通曉天文，這是王恂很早就知道的。因此，王恂就推薦郭守敬，參加修曆，製造儀器，進行實際觀測。從此，在郭守敬的科學活動史上又揭開了新的一頁。
郭守敬首先檢查了大都城裏天文台的儀器裝備。這些儀器都是金朝的遺留下來的殘品，有的儀器還是北宋時代的東西，是當年金兵攻破北宋的京城汴（biàn）京以後，從那裏搬運到燕京來的。
這些儀器因為年代久遠，大多都不能使用了，雖經修整，但在天文觀測必須日益精密的要求麵前，仍然顯得落後。郭守敬不得不製造一套更精密的儀器，為以後的工作打下技術基礎。