为了观测天象，一行在机械制造家梁令瓒的援助之下，创制出了黄道游仪和水运浑象等天文仪器。通过实际的观测，一行重新测定了150多颗恒星的位置，发现与古代典籍所载的位置有若干改变，现代天文学称之为“恒星本动”。
公元724年～725年，一行主持了规模宏大的天文大地测量，测得了子午线1°的长，这是世界上首次实测子午线。
从公元725年起，一行历经两年时间编制成了《大衍历》（初稿）20卷，纠正了过去历法中把全年平均分为二十四节气的错误，是我国历法的一次重大改革。
开元十五年(公元727年)十一月二十五日，一行陪同唐玄宗前往新丰(今陕西临潼东北新丰镇)时病倒，当晚即与世长辞，时年44岁。玄宗敕令将他的遗体运回长安安葬，并为他建筑了一座纪念塔。
实测子午线时，一行基本上按照隋朝刘焯的设计方案，派太史监南宫说在黄河南北选定四个地点（今河南的滑县、开封、扶沟、上蔡）进行实地测量，推翻了过去一直沿用的“日影千里差一寸”的谬论。一行根据测量的结果，经过精确计算，得出了“大率五百二十六里二百七十步而北极差一度半，三百五十一里八十步，而差一度”的结果。就是说，子午线每1°为131.11千米（近代测得子午线1°长110.94千米）。这实际上是世界上第一次实测子午线长度的活动，英国著名的科学家李约瑟一再称:“这是科学史上划时代的创举。”