幼承祖父郭荣家学，学习天文、算学和水利之学。后师从刘秉忠，精研经学和天文学。

蒙古蒙哥汗八年（1251）应聘主持疏通邢州河渠，还挖出了一座湮没已久的石桥，首次显露才干。中统三年（1262），在张文谦的举荐下得到元世祖忽必烈的召见，面陈水利六事，授提举诸路河渠，次年升副河渠使。至元元年（1264）跟随张文谦巡视西夏，考查当地水利工程，以“因旧谋新，更立闸堰”的方式整治河道。至元二年任都水少监，提出连通各处漕运水系的方案，得到忽必烈的赞许，并首次主持元大都的河槽工程。至元十三年忽必烈命令制定新历法，由王恂负责，郭守敬辅助。至元十六年出任同知太史院事，建议在全国27个地方建观象台，进行天文观测；后世称“四海测验”，河南登封现存的古观象台即为当时所建。至元十七年新历编成，定名为《授时历》。至元十九年王恂去世后，主持编著了《推步》《立成》等著作。至元二十三年继任太史令，又先后完成《仪象法式》《二至晷景考》《五星细行》等著作。至元二十八年领都水监，再次主持元大都的河槽工程，开凿通惠河，使得大都水系得以完善，并与大运河连通。至元三十一年拜昭文馆大学士兼知太史院事，在天文仪器和计时仪器的制造方面又有诸多创举，制成大明殿灯漏、柜香漏等。元仁宗延祐三年（1316）去世。

郭守敬在世界科学技术史上地位崇高。1970年月球上的一座环形山被国际天文学会命名为郭守敬环形山，1977年国际小行星中心将小行星2012命名为郭守敬小行星。