为精准观测天体运行轨迹，一行率先研制出黄道游仪，精准测定黄道进退轨迹，系统测量二十八星宿与北极星的天体角度。经过大量实地观测与数据比对，一行发现古籍记载的星宿位置与实测数据存在明显偏差，由此首次证实恒星存在自行位移现象。这一重大天文发现，比英国天文学家哈雷提出恒星自行学说早了整整近千年，是中国古代天文史上领先世界的创举。
除恒星观测突破外，一行团队完成了世界历史上首次子午线实测工程。古代理学长期秉持“王畿千里，影差一寸”的错误定论，世人默认南北千里距离，日影长度相差一寸，千年以来无人验证真伪。
开元十二年（724年），玄宗诏令太史监南宫说配合一行，在全国南北多地布设观测点，实地测量各地夏至晷影长度与北极星高度。大量实测数据证实，日影长度与南北距离并非固定比例，彻底推翻了流传千年的传统谬误。
一行依托实测数据，结合自主设计的覆矩图测算仪器，运用勾股算法精密推演，最终得出精准结论：南北相距三百五十一里八十步（约今129.22公里），北极高度相差一度。此次子午线实测，虽数值与现代精准测算的111.3公里略有偏差，但实测方法科学严谨、开创先河，是人类历史上第一次大规模子午线实地测量，具有划时代的科学意义。
在天象观测、大地实测的坚实基础上，一行整合历代历法优劣，勘误补漏、创新推演，耗时数年编撰新历，于**开元十五年（727年）**完成《大衍历》初稿。一行病逝后，张说、陈玄景接续整理定稿，开元十七年（729年），这部旷世历法正式颁行天下。
《大衍历》首创精准的定气算法，科学划分二十四节气，完美适配农业生产节律，彻底解决了古历节气推算不准、农时错位的弊端。自汉代《太初历》至唐代《麟德历》，历朝二十三部历法，虽各有精进，但精准度、系统性、科学性均不及《大衍历》。史载其“倚数之法固无易也，后世虽有改作者，皆依仿而已”，成为后世千年历法修订的核心范本，代表了中国古代传统历法的最高成就。