郭守敬于公元1231年出生在一个学术气氛十分浓郁的书香世家。祖父郭荣是当时的著名学者，精通数学、水利。郭守敬从小沉静好思，学习十分专心，颇爱钻研，对自然现象很感兴趣，特别爱好天文学。他跟着祖父一面读书，一面观察自然现象，学得不少实际知识。并且在邢台西紫金山跟刘秉忠上学时，曾创造过一些天文仪器的模型。

    据史书记载，有一次，15岁的郭守敬偶然得到一份《石本莲花漏图》，立刻被它迷住了。这“莲花漏”，原是北宋的一种计时器，由几个漏壶配合组成，结构特别复杂，因而计时也比以前的漏壶精确得多。遗憾的是，到元代时，莲花漏已然失传，不少著名机械学家对着图纸冥思苦索多年，仍然琢磨不出个道道。而郭守敬只用了几天工夫，就摸清了它的来龙去脉，并照着图纸成功地复制了一个莲花漏。

    元朝初年，20多岁的郭守敬就勇敢地承担了邢台五里的流通淤塞河道修建石桥的任务。全部工程用了45天就胜利地完成了，当地人民都很佩服他。郭守敬对发展生产非常重视，符合了元朝统一中国后广大人民的迫切要求。中统三年（1262年），刘秉忠的同学张文谦向元世祖忽必烈推荐郭守敬“习知水利，巧思绝人”。

    在与忽必烈见面时，郭守敬不卑不亢，侃侃而谈，面陈了自己关于兴修水利的6条建议。他每说一条，忽必烈都要赞叹一声，最后，这位君王感慨万端地说道：“天下管事的人要都像这样，哪会有不劳而食者？”立即任命郭守敬为管理水利的提举诸路河渠。看来忽必烈是从心里喜爱和佩服这位学者型知识分子。

    此后，这位具有远见卓识的水利专家身体力行，排除万难，先后完成了20多项农田灌溉、河道航运等工程，件件设计科学合理，收效显著，深得后人称道。其中最突出的，是对元大都（今北京）通惠河工程的修复。

    当时，元大都是全国的政治经济文化中心。有大批的粮食和物资需要从江南运往京城。为长途运输方便，就必须靠大运河的这条水路交通干线。但由于地理及历史的原因，大运河无法直接通到大都，只能通到河北通州。更为严重的是“民以食为天”的粮食不能及时地运到京城。所以把运河开凿到京城就成为了多年来人们盼望已久的愿望。在此之前已经有许多水利方面的专家试图开凿它，终因水源问题得不到解决而告失败。郭守敬上任后，首先想到这个重要工程，并做到开凿河道的尝试，开始也没有成功。

    水源问题也成为困扰郭守敬的最大问题。公元1291年，郭守敬经过多次实地勘测，找到了水源，立刻向忽必烈提出开凿大都运粮河的新方案：他根据大都周围西北高、东南低的地形，将大都西北昌平神山（今凤凰山）脚下的白浮泉先引入瓮山泊，并让这条引水河在沿途拦截所有原先从西山东流的泉水，汇合成流，这样，便可使运河水量大大增加。另外，由于这些泉水清澈明净，几乎不含泥沙，在运河下游还可建立一系列控制各段水位的闸门，以便运粮船能够平稳行驶。

    忽必烈听着这个颇具科学道理又切实可行的开凿计划，深感满意。于是立即下令重设掌管水利工作的专门机构——都水监，任命郭守敬