宋代在三百餘年內頒發過18種曆法，其中以南宋楊忠輔制定的《統天歷》最優。《統天歷》取回歸年長為365.2425日，是當時世界上最精密的數值，歐洲著名的《格裏高歷》，即當今世界通行的公曆，其回歸年長亦取365.2425日（公元1582年頒發），但比《統天歷》晚了383年。《統天歷》還指出了回歸年的長度在逐漸變化，其數值是古大今小。

　　宋代最富有革新的曆法，莫過於北宋時期沈括提出的十二氣歷。我國歷代頒發的曆法，均將十二個月分配於春、夏、秋、冬四季，每季三個月，如遇閏月，所含閏月之季即四個月；而天文學上又以立春、立夏、立秋、立冬四個節令，做為春、夏、秋、冬四季的開始。所以，這兩者之間的矛盾在曆法上難以統一。針對這一弊端，沈括提出了以“十二氣”為一年的曆法，後世稱它為《十二氣歷》。沈括在他的名著《夢溪筆談》中寫道：“直以立春之日為孟春之一日，驚蟄為仲春之一日，大盡三十一日，小盡三十日；歲歲齊盡，永無閏月。十二氣常一大一小相間，縱有兩小相並，一歲不過一次。”《十二氣歷》實為一種陽曆，它既與實際星象和季節相合，又能更簡便地服務於生産活動，可惜，由於傳統習慣勢力太大而未能頒發實行。

　　中國古代曆法，歷經各代制歷家的改革，至元代郭守敬、王恂等人制訂的《授時歷》達到了高峰。郭守敬、王恂等人在制訂《授時歷》過程中，既總結、借鑒前人的經驗，又研製大批觀天儀器；在此基礎上郭守敬主持並參加了全國規模的天文觀測，他在全國建立了27個觀測點，其分佈範圍是空前的，南起北緯15，北至北緯65；東邊起東經138，西至東經102。這些地點的觀測成果為制訂優良的《授時歷》奠定了基礎。《授時歷》博采眾家之長，如朔望月、近點月、交點月等數值，採用了金代趙之微《重修大明曆》的數據；回歸年長則取《統天歷》的數值等。《授時歷》創新之處頗多，如廢棄了沿用已久的上元積年；取消了用分數表示天文數據尾數的舊飛；創三次差內插法求取太陽每日在黃道上的視運行速度和月球每日繞地球的運轉速度；用類似於球面三角的弧矢割圓術，由太陽的黃經求其赤經、赤緯，推算白赤交角等。

　　《授時歷》於至元十七年（公元1280年）製成，次年正式頒發實行，一直延用到明亡（公元1644年），長達363年，足見《授時歷》的精密。

　　明代末年，一批懂天文學的耶穌會傳教士來華傳教，中國學者向他們學習了歐洲天文學的計算方法。萬曆三十八年（公元1610年）和崇禎二年五月乙酉朔（公元1629年6月21日）日食，欽天監預報有錯，而徐光啟按西法預報均得應驗。於是，崇禎皇帝接受禮部建議，授權徐光啟組織歷局，修訂曆法。徐光啟除選用中國制歷家之外，還聘用了耶穌會士鄧玉函、羅雅谷、湯若望等人來歷局工作。歷經五年的努力，撰成46種137卷的《崇禎歷書》，該歷書引進了歐洲天文學知識、計算方法和度量單位等，例如採用了第谷的宇宙體系和幾何學的計算體系；引入了圓形地球、地理經度和地理緯度的明確概念；引入了球面和平面的三角學的準確公式；採用歐洲通用的度量單位，分圓周為360，分一日為96刻，24小時 ，度、時以下60進位制等。徐光啟的編歷，不僅是中國古代制歷的一次大改革，也為中國天文學由古代向現代發展，奠定了一定的理論和思想基礎。

　　《崇禎歷書》撰完後，明已近滅亡，未能用來編歷。清初，湯若望將《崇禎歷書》刪改為103卷，連同他編撰的新曆本一起上呈清政府，得到頒發實行。新曆本定名為《時憲書》。刪改後的《崇禎歷書》更名為《西洋新法歷書》。