随着天文学的逐渐发展，中国古代科学家们渐渐发现了岁差的现象 。西汉的邓平、东汉的刘歆、贾逵等人都曾观测出冬至点后移的现象，不过他们都还没有明确地指出岁差的存在 。到东晋初年，天文学家虞喜才开始肯定岁差现象的存在，并且首先主张在历法中引入岁差 。他给岁差提出了第一个数据，算出冬至日每五十年退后一度 。后来到南朝宋的初年，何承天认为岁差每一百年差一度，但是他在他所制定的《元嘉历》中并没有应用岁差 。祖冲之继承了前人的科学研究成果，不但证实了岁差现象的存在，算出岁差是每四十五年十一个月后退一度，而且在他制作的《大明历》中应用了岁差 。
首次提出“交点月”的计算
祖冲之在我国天文学史上第一次提出，月亮相继两次通过黄道、白道的同一交点的时间（即“交点月”）长度为27．2123日，与现今推算值仅相差十万分之一日，即不到1秒，由于日食、月食（统称交食），都发生在黄白交点附近，所以祖冲之的交点月长度对于日月食预报具有十分重要的意义 。
推算出交点月的日数以后，就更能准确地推算出日蚀或月蚀发生的时间 。祖冲之在他制订的《大明历》中，应用交点月推算出来的日、月蚀时间比过去准确，和实际出现日、月蚀的时间都很接近 。
编撰《大明历》
经过实际观测，祖冲之发现何承天所编的当时正在执行的《元嘉历》有许多错误，如日月方位距实测值已相差3度，冬至、夏至已差了1天，五星的出没已差40余天，于是他着手编撰《大明历》 。
祖冲之在《大明历》的编纂中，区分了回归年和恒星年，最早将岁差引进历法，提出了用圭表测量正午太阳影长以定冬至时刻的方法，并采用了391年加144个闰月的新闰周，推算出一个回归年为365.24281481日 。一直到南宋的《统天历》，才采用了比这更精确的数据 。
天文成就
祖冲之对木、水、火、金、土等五大行星在天空运行的轨道和运行一周所需的时间，也进行了观测和推算，给出了更精确的五星会合周期 。中国古代科学家算出木星（古代称为岁星）每十二年运转一周 。西汉刘歆作《三统历》时，发现木星运转一周不足十二年 。
祖冲之进行了重新测量，得出木星每84年超辰一次的结论，即定木星公转周期为11.858年（今测为11.862年） 。并得出更精确多五星会合周期，木星398.903日（误差0.019日），火星780.031日（误差0.094日），土星378.070日（误差0.022日），金星583.931日（误差0.009日），水星115.880日（误差0.002日） 。
机械制造
祖冲之设计制造过水碓磨、铜制机件传动的指南车、千里船、定时器等 。在中国古代指南车的名称由来已久，但其机制构造则未见流传 。三国时代的马钧曾造指南车，至晋再次亡失 。东晋末年刘裕攻长安，得后秦统治者许多器物，其中也有指南车，但“机数不精，虽曰指南，多不审正，回曲步骤，犹须人功正之” 。南朝宋昇明年间(477-479年)萧道成辅政，“使冲之追修古法 。冲之改造铜机，圆转不穷而司方如一，马钧以来未有也 。”祖冲之所制指南车的内部机件全是铜的，它的构造精巧，运转灵活，无论怎样转弯，木人的手常常指向南方 。
祖冲之改良了水碓磨 。在西晋初年，杜预改进发明了“连机碓”和“水转连磨” 。一个连机碓能带动好几个石杵一起一落地舂米；一个水转连磨能带动八个磨同时磨粉 。祖冲之又在这个基础上进一步加以改进，把水碓和水磨结合起来，生产效率就更加提高了 。这种加工工具，中国南方有些农村还在使用着 。
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