宋代最为精巧的天文仪器，当推苏颂领导研制成功的水运仪象台。元祐元年（1086），苏颂奉旨校验天文院和太史局两处的新旧浑仪，考察中他发现同一台仪器由不同的人去操作，所得测量结果不同，他们“各指得失，终无定论”。于是他想制造一种以水为动力，浑仪和浑象联动并能与天同步运动的仪器。另外，一行、张思训已将这种仪器与报时装置集为一体，所以新的仪器还要同时解决报时问题。苏颂首先遇到的困难是缺乏参考资料，正如他自己所写：“张衡之制，史失其传；开元旧器，唐世已亡”，本朝“太平浑仪，自思训死，机绳断坏，无复知其法制者”，所以制作新仪必须重新设计。经过苏颂与精通数学、天文学并有巧思的吏部守当官韩公廉等人的反复研究和精心设计，新仪从元祐二年（1087）开工制造，三年制成木样，经鉴定和检验后，据此正式铸造铜仪。元祐七年（1092），这座中国古代最宏伟、最复杂的天文仪器建成，宋哲宗赐名“元祐浑天仪象”，后人通称“水运仪象台”。

　　苏颂实现了将浑仪、浑象和报时结合于一体的设想，整座仪器使用水力为动力，经变速、传动和控制使三部分仪器联动并能跟踪天体运行。仪器总高约12 米，宽约7 米，分上、中、下三层，底层是动力与传动装置和报时钟，中层密室中转动着的是浑象，上层为浑仪。浑仪上的望筒可对准并可自动跟踪天体，而随望筒运动的三辰仪时圈则可指示出时间的变化，此外，浑仪所在小室的屋顶可以启闭，这与现代天文台上的望远镜转仪钟与活动圆顶作用相同。

　　水运仪象台的报时部分也精巧绝伦。它共分五层，其中三层用于白昼报时，两层用于夜间报时，共有承担报时职能的木人254 个，每个时辰分时初与时正，分别由左门小人摇铃和右门小人敲钟报出，每至一刻由中门小人击鼓。第二、三层的木人分别举辰牌与刻牌，当非正点辰刻没有报时声的时候可从牌上看出当时的时辰与刻数；第四、五层的木人敲钲以报更，没有报更声的时候可从木人所举更牌上看出更次。水运仪象台的整台仪器由水提供动力自动运转。它的又一项重要发明是其“天衡”装置，它类似于近代钟表的擒纵器（卡子），控制着仪器，使之均匀运动。

　　国际科学史界对水运仪象台的评价极高，认为它是现代钟表的祖先。关于它留下了较详细的记载，特别是其机械结构、装配图等都收于苏颂所著的《新仪象法要》一书中。

　　苏颂还制造过另一台大型天文仪器，据《玉海》记载，它是一架假天仪，“大如人体。人居其中，有如笼象。因星凿窍，如星以备。激轮旋转之势，中星、昏、晓，应时皆见于窍中。星官历翁，聚观骇叹，盖古未尝有也。”据研究，这台仪器的主体是用竹条制成的球体，很像一个圆形笼子。表面上再用不透明的纸绢裱糊，并按星宿位置校算开孔①。人坐在密封的球内，球面上小孔透过来的光如同夜空中的繁星。这种便于演示和观察天体运行的仪器，可以说是今日天象仪的鼻祖。

　　宋代制造的天文仪器，数量众多，精密复杂，并有不少创新，这是中国古代天文学发展进入高峰的重要标志。

　　第三节恒星测量与星图恒星测量是天文学的基础工作，而星图则是观测恒星的记录和查找恒星的一种工具。中国古代的星图大致可分为两类，一类是天文学家作为认识和记录天空中星官位置而绘制的星图，另一类是多为装饰用的示意性质的星图。五代吴越钱元祐墓及其妃子吴汉月墓后室顶部各有一块石刻星图，这是我国现存最早的石刻天文图。这两幅星图的直径约1.9 米，比后来南宋苏州石刻天文图大了一倍，刻星各约180 颗左右，虽是示意性质，但位置比较准确。

　　宋代是进行全天恒星观测最多的时期，先后进行过七次较大规模的恒星测量。如宋太宗太平兴国年间（976—984）作了二十八宿距度测量。又据《文献通考》和《玉海》记载，宋仁宗时曾查阅开国之初的恒星记录，见“止截二十八舍及大角至屏星四十二官”，并查知这次测量是因为发现当时的观测值与唐一行所测不相同，为了占考“灾祥之度”，进而实测了这些星，其结果与开元年间的测值相差两三度甚至五度。大中祥符三年（1010），韩显符① 王振择：《中国最早的假天仪》，见王振择《科技考古论丛》，文物出版社1989 年版，第278—286 页。等用其制造的浑仪又补测了外官星的位置。

　　景祐年间（1034—1038），再一次测量了二十八宿距度及周天恒星。当时宋仁宗下令要编一部新的星占书《景祐乾象新书》，为使历代诸家占语与当时天象相符，所以要求重新测量恒星位置，主持测量的则是韩显符的授业学生杨惟德。这次测量比以前测量的星数要多。《景祐乾象新书》中曾列有一张周天星座入宿、去极度数表，可惜这份星表已经失传，仅在《宋史·天文志》中载有其中关于二十八宿距星的实测结果。皇祐年间（1049—1054），周琮等人用所铸黄道铜仪重测二十八宿及周天恒星。这次观测所使用的仪器刻度精确，并且改进了漏刻，因而取得了极有价值的成果。这些观测结果后来被收入北宋王安礼重新修订删改的《灵台秘苑》一书。其内容包括345 个星官的距星的入宿度和去极度。这是我国现存明末以前所收星数最多的一份星表。

　　元丰年间（1078—1085）又进行一次恒星测量，测量精度也比较高。这次测量的成果被绘成星图，并刻石保存下来，这就是现存苏州博物馆的著名的苏州石刻天文图。图碑高2.16 米，宽1.06 米，上半部为星图，外径91.5厘米，下半部为天文图碑文，总共刻星1431 颗。原图为绍熙元年（1190）黄裳绘制，南宋淳祐七年（1247）由王致远刻石成碑。该图将中原地区可见星空展现在一幅图中，不但星位准确，而且二十八宿、三垣、十二次、内规、赤道、外规、分野、星官联线、星官名称都刻得清清楚楚。苏州石刻天文图是研究宋代全天星空的宝贵资料。明代正德元年（1506）的江苏常熟石刻天文图，则是根据苏州石刻天文图经订正翻刻而制成的。