至元十九年（1282年），郭守敬受封太史令，首次踏入前朝遗留的司天台。当他推开枢机阁的沉重大门时，扬起的尘埃中显现出北宋苏颂所造水运仪象台的残骸。铜铸的枢轮锈迹斑斑，木制的报时人偶早已腐朽，唯有一尊丈余高的浑天象依然矗立在殿中央，球面上的星官刻痕已被岁月磨平大半。
郭守敬抚摸着浑天象上模糊的二十八宿刻痕，当即上表奏请重铸新仪。在整理司天台旧档时，他发现了元佑年间苏颂亲绘的《浑天仪象法式》残卷，更令人惊喜的是，札马鲁丁献出了珍藏的《苏菲星表》——这部波斯天文学家阿尔·苏菲在百年前编纂的星图，记载着许多中原未录的南天星宿。
当合中西之长，补古今之缺。郭守敬在铸造工坊亲自督造，将传统失蜡法与阿拉伯錾刻术结合。为使星位精准，他连续四十九夜对照实测，在铜坯上标注星点。某夜狂风骤雨，烛火尽灭，他竟凭记忆继续刻画，翌日工匠发现新铸星位与天象分毫不差。
最令人叹为观止的是，他在铜球内壁暗藏玄机：以错金技法镶嵌黄道坐标，用阴刻线条勾勒银河边界，更在北斗杓柄处留下可活动的开阳辅星——这颗双星系统的设计，比欧洲天文学家发现其伴星早了四百年。
重头戏在修复水运仪象台。当新铸的枢轮安装就位，整套机械却在卯时三刻突然停滞。工匠查遍三十六组齿轮未见异常，郭守敬却注意到受水壶的竹筒舌片有细微磨损。
非力不足，乃时不准也。他屏退众人，独对仪器沉思至夜半。忽闻更夫梆声错漏，顿悟问题所在：原设计每刻泄水一壶，然冬夏水位涨落会影响流速。他当即拆下、等杠杆机构，重新设计出可随季节调节的天衡关锁。
黎明时分，当最后一块铜楔嵌入机关，枢轮突然发出清脆的声。但见铜人依次击鼓、鸣钟、出牌，整座仪器如苏醒的巨龙般开始运转。晨光中，浑天象缓缓旋转，星图与窗外渐隐的星辰完美对应，木人报时的声响惊起满城栖鸟。
闻讯赶来的札马鲁丁，在枢机阁外遇见袖口沾满墨迹的郭守敬。波斯学者执礼相问：太史公衣袖上的星图，莫非是新的推演？郭守敬展袖示人，但见靛蓝布料上用银粉绘着七曜运行轨迹，其中火星的逆行环路尤显精妙。
昨夜验算《戊寅元历》所载荧惑守心，发现若计入黄白交角变化，太史令李淳风的推算竟精确到半度之内。他指着袖口的朱砂标记解释。这个发现让二人当即在石阶上展开算稿，用汉算的招差法与阿拉伯的弦切法共同验证，得出相同的行星运动模型。
此后旬日，司天台每晚灯火通明。郭守敬将新测的1464颗恒星位置编成《至元星表》，其中首次标注的老人星高度，证明其已在南海可见。而札马鲁丁则依据这些数据，在地球仪上增补了通往非洲南端的航海线。
至元二十年春分，忽必烈亲临司天台观礼。当看到浑天象与真实星空的运转完全同步，大汗抚掌赞叹：昔黄帝命羲和历象，今卿制器测天，皆盛世之兆也。特赐孔雀翎织金缎，郭守敬却请将御赐缎匹裁作仪器护罩。
在新仪落成典礼上，最精彩的演示当属月食预报。当阴影缓缓蚕食铜球上的月相标记时，真实月轮恰在天际出现相同食分。观礼的南海商人惊呼：此器竟能预演天变！高丽使臣当即临摹星图，这份抄本后来成为《天象列次分野之图》的蓝本。
此后三年间，这套仪器助力《授时历》臻于完善：
通过浑天象验证了黄赤交角变化规律
利用水运仪象台校核了交食周期
凭借恒星位置修订了岁差常数
特别改进了月亮中心差算法
晚年的郭守敬在告老还乡前，将浑天象的维护要诀刻于铜匮，藏于基座暗格。明嘉靖年间重修司天台时，工匠意外发现这份《仪象修造法式》，其中记载的天衡关锁原理，竟与欧洲机械钟的擒纵机构异曲同工。
清康熙帝巡视观象台时，命南怀仁仿制此器。比利时传教士在给教皇的信中写道：中国人在三百年前制造的天文仪器，其精妙程度令当代欧洲匠师汗颜。而那座历经六百年沧桑的浑天象，至今仍在北京古观象台上静静旋转，铜球上的星宿在月光下泛着青辉，仿佛仍在诉说那个星河为证、巧思破天的伟大时代。