苏颂是北宋中期著名的天文学家、天文机械制造家。元祐年间，奉宋哲宗的诏命，苏颂组织了吏部官员韩公廉等人，运用自己丰富的天文学、数学和机械学知识，历时三年零四个月，终于制成了世界上最早的天文钟——水运仪象台。该仪器集浑仪、浑象和报时装置三大功能于一身，整个仪器高约12米，相当于一幢三层楼的规模：最上层是屋顶可以开启的观测室，安放有铜浑仪，专门用来观测天体；中层密室内旋转着浑象，一昼夜自动旋转一周，用于显示星空，就像现代的天球仪；底层是木阁，安放有动力装置和报时钟。水运仪象台的诞生是中国古代天文仪器制造史上的高峰。

苏颂为了能让人们更直观地理解星宿在天空中的运行轨迹，又与韩公廉一起设计制造出一种能让人身临其境观测星空的仪器——假天仪。该仪器用竹木制成，从外面看就像一盏纸糊的特大号灯笼，“灯笼”面上按照天上星座的位置开孔，人进到里面便可以看到点点光亮，仿佛看到夜空中繁星点点，扳动枢轴，“灯笼”便可转动起来，生动地再现天体的东升西落。千年后，现代天文馆里的星空演示便是基于这一原理。

随着天文观测的进展，星图绘制技术也有长足的进步，宋代进行了五次大规模的天文观测。南宋绍熙元年，天文学家黄裳将神宗元丰年间的第四次观测结果绘成星图，并于淳祐七年由苏州著名石刻师王致远刻于石上，这就是举世闻名的“宋淳祐天文图”，也称苏州石刻天文图。该图现立于苏州博物馆，图上共刻星1430颗，是世界上现存年代最早、存星最多的石刻天文图。

北宋科学家沈括在天文学上也有重要贡献，浑仪在他的改进下，观测的精确度显著提升，他也是世界上最早注意到北极星实际上并不在北极的科学家。为了测得北极星的实际位置，他连续三个月每天用浑仪观测北极星，并将每晚前半夜、半夜、后半夜北极星在天空中的位置用星空图绘制下来，最终得出当时极星“离天极三度有余”的粗测结论。

值得一提的是，在历法上，沈括别具一格地提出十二气历。这是一种纯阳历制度：每年的第一天定为立春，惊蛰为二月一日……小寒为十二月一日。这样既符合天体运行的实际，也有利于农业活动的安排。沈括提倡的“十二气历”虽未被采用，但在科技史上意义重大，比其后英国气象局使用过的肖伯纳历要早八百多年。