天文学、数学、医学居于世界领先地位。阿拉伯与波斯科学技术传入中国。元世祖忽必烈在尚未登基之前，就征招“回回为星学者”。他们翻译及带来诸如托勒密的《天文大集》、伊本·优努斯（又译作尤尼）的《哈基姆星表》（又译作《哈基姆历数书》）等天文学著作。1260年，元朝承金国旧制，设立司天台，1271年正式设立回回司天台，1312年设立回回司天监。后来还任用了一大批以札马剌丁（又译作扎马鲁丁、扎马剌丁）为代表的天文学家管理此类工作。中国人这时开始使用阿拉伯数字。
元世祖至元十七年（1280年），王恂与郭守敬等完成编制《授时历》。《授时历》以365.2425天为一年，与地球绕太阳一周的实际时间只有26秒的差距。制订《授时历》时，列出了三次内插公式（招差法），还使用“垛垒、招差、勾股、弧矢之法”进行缜密计算，其中将穆斯林发明的弧三角法应用于割圆术获得“弧矢割圆术”（即球面直角三角形解法）。
1303年，朱世杰著成《四元玉鉴》，将“天元术”推广为“四元术”（四元高次联立方程），并提出“消元”的解法。朱世杰亦研究各有限项级数求和问题，而且在此基础上得到高次差的内插公式。一般认为欧几里得的著作《几何原本》前六卷是明代的徐光启在意大利传教士利玛窦的帮助下翻译并引进中国的，但有学者认为早在元代，此书已经被来华的穆斯林带到中国。
中医学有很大发展，出现了金元四大学派。医药学在继承传统的基础上出现了“兼收并蓄、互通有无”的局面，大大丰富了医药学知识的内容。《回回药方》是中国的大型综合性回回医药学典籍，作者不详，原有36卷，少数残本现可见于北京图书馆。该书多以汉语书写，同时夹杂许多阿拉伯语与波斯语医药术语及汉语音译。从残本目录可以看出，《回回药方》是一部包括内科、外科、妇科、儿科、骨伤和皮肤病等科，具有中西特色的医学典籍。研究中医药是的学者根据残存部分推断，《回回药方》约有药方6000至7000之多，其价值与中医古籍《外台秘要》相当。
1291年，郭守敬指挥修建元大都至通州的运河，当中有七座水闸，这七座水闸彼此相距约半公里的地方，又设计有斗门。郭守敬的设计是通过水闸和斗门的关闭与开放，调节运河各段的水位高低，引导船舶顺畅通过。工程竣工后，元世祖亲自将这段164里长的运河命名为 “通惠河”。通惠河是中国工程建设史上的杰作，其运用的巧妙方法与现在国外一些运河采用的技术是基本相同的。
元世祖在位时开始重视农业，制定了有利于农业的发展的政治措施，使得农业水平有了很大提高。王祯编著的《农书》有37卷，现存36卷，是中国古代一部对农业生产进行全面系统论述的著作。《农书》全书约有十三余万字与300多幅图画，全文分为《农桑通诀》、《百谷谱》、《农器图谱》三大部分。《农桑通诀》包括对农、林、牧、副、渔及水利等各个方面的综合性论述，提出“顺天之时、因地之宜、存乎其人”的农耕思想。《百谷谱》对各种农作物的品种、特性、栽培、种植、收获、贮藏和利用等知识加以介绍，将农作物分为谷、蔬、果、杂等六大类，为中国农作物分类学奠基；而对于植物性状的描述，也是此前书籍不曾有过的。《农器图谱》则是《农书》的重点部分，该部分就田制、仓廪、舟车、灌溉、蚕桑、织纤、麻芒等分为20门类，详细介绍了257种农业机械，而且配绘图谱306幅并加以文字说明，其价值超过以往所有农业机械书籍。
在活字印刷术方面，王祯设计出木活字及转轮排字架，并于1298年用木活字排印《旌德县志》；其《造活字印书法》（附于《农书》书末）是最早的系统性介绍活字排版印刷术的科技文献。
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