元代大一统王朝的建立，彻底打破了此前各政权的地域壁垒，汇聚两宋、辽夏金四方天文贤才，整合历代天文成果，实现了华夏天文研究的集大成式飞跃，将传统天文学推向最后的巅峰。元代设立太史院，以郭守敬为太史令，总领全国天文研究，其天文团队囊括汉、蒙、回、西域等多民族学者，形成了多元协同的研究格局。为编撰精准历法，郭守敬主导了空前规模的全国天文实测，在全国二十七处设立观测点，北至北极圈附近，南至南海诸岛，实测范围横跨万里，精准测算出北极高度、日影长度、昼夜时长等核心数据，为历法修订提供了最坚实的实证支撑。在仪器创制上，郭守敬更是推陈出新，一生研制天文仪器二十余种，简仪简化了浑仪结构，精度远超前代，仰仪可直观观测日月食全过程，高表、景符大幅提升日影测量精度，这些仪器兼具实用性与创新性，代表了当时世界天文仪器制造的最高水平。在此基础上，郭守敬主持编撰《授时历》，彻底废除沿用千年的上元积年法，以实测数据为核心，精准测算回归年与朔望月长度，其精度与现代公历无异，却比西方公历早颁行三百年，成为中国古代最精准、使用最久的历法之一，通行后世三百六十余年。
元代的开放包容更推动了中外天文深度交融，西域、阿拉伯的天文知识与仪器制造技艺大规模传入中原，阿拉伯的天文表、测算方法被吸纳应用，郭守敬在仪器创制与历法演算中便借鉴了诸多西域天文成果；同时，元代天文成果亦向外传播，惠及周边诸国。此外，元代还着力整理历代天文典籍，将散佚的史料、星图、仪器图纸汇集成册，为天文知识的传承留存了系统完备的文献体系。而各民族文化的深度交融，更让天文礼制、观测视角愈发多元，草原民族的观星经验、中原的精密测算、西域的独特技法相互融合，形成了多元一体的天文研究体系。
这一时期，天文认知对社会各领域的影响愈发深远。官方层面，各政权皆以颁行历法、举行天文祭祀彰显正统，天文观测成为王朝政务的重要组成部分；民生层面，精准的历法让农耕、游牧、渔猎皆有章可循，中原的二十四节气、草原的星辰定向、西域的物候观测相互补充，极大适配了不同地域的生产生活需求；天文养生理念在各民族间广泛传播，中原的节气养生、草原的天地调和理念相融共生，成为百姓日用的健康准则。文学领域，天文意象随文化交融更显多元，宋词的雅致、元曲的通俗，皆常以日月星辰入题，关汉卿、马致远等元曲大家，或以星河抒壮志，或以冷月写离愁，让天文意象更接地气；而各民族的民间传说中，天文神话亦相互借鉴，中原的嫦娥奔月、草原的星辰图腾、西域的日月传说交相辉映，丰富了文化内涵。
辽宋夏金元时期，是华夏天文研究多元交融、登峰造极的黄金阶段，两宋的精细化实证、辽夏金的民族特色传承、元代的集大成突破，共同铸就了传统天文学的最后辉煌。这一时期的仪器、历法、实测成果，不仅是华夏文明的珍贵财富，更在世界天文学史上占据重要地位，而多民族交融互鉴的研究传统，更让华夏天文学始终保持着鲜活的生命力，为后世天文研究的转型与发展，留下了不可磨灭的深刻影响。
而在紧随其后的明清两代，传统天文学迎来了集大成式总结与中西交融碰撞的关键转折，前承数千年华夏天文积淀，后启近代天文转型之路，在守正传承中谋求突破，在文明互鉴中探索新机。明代前期国力强盛，倾力完善天文建制、复刻改良传统仪器、整理历代典籍成果，将传统天文观测与历法体系推向精准化极致；中后期西学东渐初现，西方天文知识与仪器传入中原，为沉滞的天文领域注入新的活力。清代则在承袭明制基础上，兼收中西之长，组织大规模天文典籍校勘与实测研究，构建起多元兼容的天文体系，虽后期闭关锁国导致发展趋缓，却也完成了传统天文学的系统性收官，为中国天文学向近代化转型奠定了基础。
明代立国之初，便将天文历法视作立国之本，革除元代旧制弊端，重建专职天文机构，设钦天监统揽天文观测、历法修订、吉凶占验等要务，明确其职官分工，严令禁止私习天文，将天文研究牢牢掌控在官方手中，以彰显皇权对天地秩序的主导权。明太祖朱元璋下令广征天下天文人才，重修历法，刘基、詹希元等学者参照历代历法精华，编撰《大统历》，以元代《授时历》为蓝本微调优化，沿用其精准的测算数据，适配明代农时民生，通行两百余年，成为中国古代最后一部传统历法。明代极为重视天文仪器的复刻与改良，洪武年间便依古法打造浑仪、圭表、简仪等核心仪器，安置于南京钦天监观星台；迁都北京后，又在京城修建古观象台，复刻全套观测仪器，且对部分构件加