宋代天文历法最为绚丽多彩。宋代天文学家不懈探索自然规律，并试图揭开宇宙奥秘。无论是天文仪器的研发制作、天象的观测记录，还是历法的编制修订都凝聚着宋代天文学者智慧的结晶，折射出宋代天文学者严谨求实的研究态度和无穷的创造力。
■天文仪器的制作
中国古代传统的天文仪器如漏壶、圭表、浑仪、浑象等在宋代都有所改进，样式更为精巧、测量结果更为准确。沈括的浮漏和燕肃的“莲花漏”代表着宋代刻漏技术的高度成熟。沈括提出使用“副表”以及苏颂“于午正以望筒指日，令景透筒窍，以窍心之景，指圭面之尺度为准”的圭表测影方法使测影技术得到发展；浑仪的制作也向简单、精细转向。苏颂还编撰了《新仪象法要》，分别介绍浑仪、浑象、水运仪象台的设计，对宋代天文仪器的制作进行了理论总结。
元三年（1088）由苏颂和韩公廉主持创造出的天文仪器—“水运仪象台”是宋代天文仪器最杰出的代表。这是一个正方形木制建筑物，高达12米左右，宽约7米。全台分为三层，上层为露台，设浑仪，用来观测星体的运行；中层置浑象；下层为木阁，有钟鼓等计时仪器显示时刻变化。这种天文台与天体运动基本一致，由水力冲激机轮转动机器，既能观测天象、演示天象，还能计时报时，在世界天文史和钟表史上都有重要意义。
■天文观测与星图绘制
随着天文仪器的不断改进和完善，宋代天文观测与星图绘制水平也有了突破性的进展。自北宋中期以来的百余年间，就进行过5次大规模的天文观测，积累了丰富的资料。大中祥符三年（1010），韩显符以冬至点为起量点，开始了观测“外官星位去斗、极度数”的首次大规模恒星位置观测工作。随后数十年间，恒星观测活动一直坚持不懈，到崇宁五年（1106），姚舜辅等人进行的第五次观测已经十分精确，所测的二十八宿距度误差绝对值平均只有0.15度，当属难得。
宋代对于新星、超新星、彗星等天文现象也有了观测和详细记录，关于客星（新星）的记载就有真宗景德三年（1006）、仁宗至和元年（1054）和孝宗淳熙八年（1181）三次，以前两次最为著名。据史载，景德三年（1006）四月二日，“见大星，星黄，出库楼东，骑官西”，这是豺狼座超新星爆发现象。而“至和元年五月，晨出东方，守天关，昼见如太白，芒角四出，色赤白，凡见二十三日”则是关于蟹状星云的详细记载。
依托大规模的天文观测活动所获得的大量资料、数据，宋人绘制出了苏颂星图、淳星图等更为精细准确的星图。苏颂星图载于元三年（1088）苏颂所编撰的《新仪象法要》一书中，内容详尽、插图丰富，是考定中国星座命名的宝贵资料。南宋绍熙元年（1190），黄裳也依据观测结果绘制出星图。淳七年（1247），王致远将此图刻于石上，是世界上最早的石刻天文图。星图以北极为中心，刻星1431颗。图上绘有三个同心圆，分别代表北极常显圈、南极恒隐圈和赤道，另有二十八条辐射线表示二十八宿距度。星图基本包括了天文学的所有方面，反映出宋代天文学的高度发达。
■精确的历法
宋代自太祖时期王处讷主持修订《应天历》，到度宗时期陈鼎修订《成天历》，共修订历法17次，频繁变动的历法，也从一个侧面反映了当时天文观测水平的先进。正因为天文观测相对准确，才能及时调整历法预报中的误差。
十余种历法中，以南宋庆元五年（1199），杨忠辅主持制定的《统天历》最为突出。《统天历》以365.2425日为一年，这一数据与现今世界所通用的格列高利历问世时采用的数据完全一致。《统天历》比西方的格列高利历早出380余年，宋代天文学发展水平之高可见一斑。
因著《梦溪笔谈》而名传后世的宋代著名科学家沈括在历学革新方面也有自己的独创性见解。沈括提出了以“十二气”为一年的历法，后世称它为《十二气历》，主张把闰月完全去掉，以节气定月。沈括的这种创新思想在当时受到了保守派的攻击，但在900年后英国科学家肖纳伯所制定的《农历》中，关于历学的观点却基本与沈括的主张一致。现在仍是英国气象局考虑气候安排农业生产的重要参考依据。
