這時期，我國湧現出一批傑出的天文學家，一行和郭守敬便是其中的兩位佼佼者。
一行(公元683—727年)俗名張遂，魏州昌樂(今河南南樂縣)人，20歲時出家為僧，隱居於河南嵩山等地。一行在天文學上的主要貢獻是編制了大衍歷。他於開元九年(公元721年)接受了編制曆法的任務。
一行從天文學的歷史發展中，認識到日、月、星辰的運動是有一定規律的，通過細心地觀測，可以了解這些規律。但由於人的認識水平是有限的，故根據所總結出的這些規律進行的推算，與實際天象會存在一定的誤差。而從實測中，可以修正這些誤差，經反复地觀測、修正，就可以得到比較正確的結果。因此，為了使曆法與實際天象相符，他堅持進行實際觀測，從而糾正了不少前人的錯訛，把我國古代曆法的製訂工作提高到一個新的水平。
同時，為了使曆法適用於全國各地，一行領導進行了大規模的大地測量。他還發明了一種叫“复矩圖”的測量儀器，供測量用。測量地點共選擇12處，分佈範圍到達唐疆域的南北兩端。他從實測中得出南北兩地相差351裡80步，北極高度相差一度的結果。中國古制一里=300步，一步=5尺，一周天為3651/4度，換算為今制，即南北相距129.22公里，北極高度相差1°。這實際上就是地球子午線1°的長度，與現測值1°長111.2公里相較，一行的結果雖誤差較大，但這畢竟是世界上第一次對子午線的實測，具有重大的科學意義。
經過幾年的測算，公元725年一行開始編修新歷。公元727年完成了《大衍歷》草稿後，他就去世了。 《大衍歷》共分七篇，從內容到結構都很有系統，在明末用西歐方法編歷之前，各次修歷都是仿照它的結構進行的。
郭守敬(公元1231—1316年)字若思，河北邢台人。他與元代一批天文學家共同製訂的《授時歷》，是中國古代最優秀的曆法，一直沿用到清初。為了製訂《授時歷》，他繼一行之後，又組織了一次空前規模的大地測量。在北京、太原、成都、雷州等27處設立了觀測點，南達西沙群島，北至北極圈附近的北海。無論地理範圍和規模，還是觀測精度，都遠遠地超過了一行。他在天文儀器的製造方面，更有卓越的貢獻，這將在下面再加以介紹。此外，他還是一個水利工程專家和地理學家。