这时期，我国涌现出一批杰出的天文学家，一行和郭守敬便是其中的两位佼佼者。
一行(公元683—727年)俗名张遂，魏州昌乐(今河南南乐县)人，20岁时出家为僧，隐居于河南嵩山等地。一行在天文学上的主要贡献是编制了大衍历。他于开元九年(公元721年)接受了编制历法的任务。
一行从天文学的历史发展中，认识到日、月、星辰的运动是有一定规律的，通过细心地观测，可以了解这些规律。但由于人的认识水平是有限的，故根据所总结出的这些规律进行的推算，与实际天象会存在一定的误差。而从实测中，可以修正这些误差，经反复地观测、修正，就可以得到比较正确的结果。因此，为了使历法与实际天象相符，他坚持进行实际观测，从而纠正了不少前人的错讹，把我国古代历法的制订工作提高到一个新的水平。
同时，为了使历法适用于全国各地，一行领导进行了大规模的大地测量。他还发明了一种叫“复矩图”的测量仪器，供测量用。测量地点共选择12处，分布范围到达唐疆域的南北两端。他从实测中得出南北两地相差351里80步，北极高度相差一度的结果。中国古制一里=300步，一步=5尺，一周天为3651/4度，换算为今制，即南北相距129.22公里，北极高度相差1°。这实际上就是地球子午线1°的长度，与现测值1°长111.2公里相较，一行的结果虽误差较大，但这毕竟是世界上第一次对子午线的实测，具有重大的科学意义。
经过几年的测算，公元725年一行开始编修新历。公元727年完成了《大衍历》草稿后，他就去世了。《大衍历》共分七篇，从内容到结构都很有系统，在明末用西欧方法编历之前，各次修历都是仿照它的结构进行的。
郭守敬(公元1231—1316年)字若思，河北邢台人。他与元代一批天文学家共同制订的《授时历》，是中国古代最优秀的历法，一直沿用到清初。为了制订《授时历》，他继一行之后，又组织了一次空前规模的大地测量。在北京、太原、成都、雷州等27处设立了观测点，南达西沙群岛，北至北极圈附近的北海。无论地理范围和规模，还是观测精度，都远远地超过了一行。他在天文仪器的制造方面，更有卓越的贡献，这将在下面再加以介绍。此外，他还是一个水利工程专家和地理学家。