區分了回歸年和恒星年，首次把歲差引進歷法，測得歲差為45年11月差壹度（今測約為70.7年差壹度）。歲差的引入是中國歷法史上的重大進步。
定壹個回歸年為365.24281481日（今測為365.24219878日），直到南宋寧宗慶元五年（公元1199年）楊忠輔制統天歷以前，它壹直是最精確的數據。
采用391年置144閏的新閏周，比以往歷法采用的19年置7閏的閏周更加精密。
定交點月日數為27.21223日（今測為27.21222日）。交點月日數的精確測得使得準確的日月食預報成為可能，祖沖之曾用大明歷推算了從元嘉十三年（公元436年）到大明三年（公元459年），23年間發生的4次月食時間，結果與實際完全符合。
得出木星每84年超辰壹次的結論，即定木星公轉周期為11.858年（今測為11.862年）。
給出了更精確的五星會合周期，其中水星和木星的會合周期也接近現代的數值。
提出了用圭表測量正午太陽影長以定冬至時刻的方法。
為紀念這位偉大的古代科學家，人們將月球背面的壹座環形山命名為祖沖之環形山，將小行星1888命名為祖沖之小行星。
我國古代勞動人民，由於畜牧業和農業生產的需要，經過長時期的觀察，發現了日月運行的基本規律。他們把第壹次月圓或月缺到第二次月圓或月缺的壹段時間規定為壹個月，每個月是二十九天多壹點，十二個月稱為壹年。這種計年方法叫做陰歷。
他們又觀察到：從第壹個冬至到下壹個冬至（實際上就是地球圍繞太陽運行壹周的時間）***需要三百六十五天又四分之壹天，於是也把這壹段時間稱作壹年。按照這種辦法推算的歷法通常叫做陽歷。但是，陰歷壹年和陽歷壹年的天數，並不恰好相等。按照陰歷計算，壹年***計三百五十四天；按照陽歷計算，壹年應為三百六十五天五小時四十八分四十六秒。陰歷壹年比陽歷壹年要少十壹天多。為了使這兩種歷法的天數壹致起來，就必須想辦法調整陰歷壹年的天數。
對於這個問題，我們的祖先很早就找到了解決的辦法，就是采用“閏月”的辦法。在若幹年內安排壹個閏年，在每個閏年中加入壹個閏月。每逢閏年，壹年就有十三個月。由於采用了這種閏年的辦法，陰歷年和陽歷年就比較符合了。
在古代，中國歷法家壹向把十九年定為計算閏年的單位，稱為“壹章”，在每壹章裏有七個閏年。也就是說，在十九個年頭中，要有七個年頭是十三個月。這種閏法壹直采用了壹千多年，不過它還不夠周密、精確。
公元412年，北涼趙厞創作《元始歷》，才打破了歲章的限制，規定在六百年中間插入二百二十壹個閏月。可惜趙厞的改革沒有引起當時人的註意，例如著名歷算家何承天在公元443年制作《元嘉歷》時，還是采用十九年七間的古法。
祖沖之吸取了趙厞的先進理論，加上他自己的觀察，認為十九年七閏的閏數過多，每二百年就要差壹天，而趙厞六百年二百二十壹闖的閏數卻又嫌稍稀，也不十分精密。因此，他提出了三百九十壹年內壹百四十四閏的新閏法。這個閏法在當時算是最精密的了。
根據物理學原理，剛體在旋轉運動時，假如絲毫不受外力的影響，旋轉的方向和速度應該是壹致的；如果受了外力影響，它的旋轉速度就要發生周期性的變化。地球就是壹個表面凹凸不平、形狀不規則的剛體，在運行時常受其他星球吸引力的影響，因而旋轉的速度總要發生壹些周期性的變化，不可能是絕對均勻壹致的。
因此，每年太陽運行壹周（實際上是地球繞太陽運行壹周），不可能完全回到上壹年的冬至點上，總要相差壹個微小距離。按現在天文學家的精確計算，大約每年相差50.2秒，每七十壹年八個月向後移壹度。這種現象叫作歲差。
隨著天文學的逐漸發展，中國古代科學家們漸漸發現了歲差的現象。西漢的鄧平、東漢的劉歆、賈逵等人都曾觀測出冬至點後移的現象，不過他們都還沒有明確地指出歲差的存在。到東晉初年，天文學家虞喜才開始肯定歲差現象的存在，並且首先主張在歷法中引入歲差。他給歲差提出了第壹個數據，算出冬至日每五十年退後壹度。後來到南朝宋的初年，何承天認為歲差每壹百年差壹度，但是他在他所制定的《元嘉歷》中並沒有應用歲差。
祖沖之繼承了前人的科學研究成果，不但證實了歲差現象的存在，算出歲差是每四十五年十壹個月後退壹度，而且在他制作的《大明歷》中應用了歲差。因為他所根據的天文史料都還是不夠準確的，所以他提出的數據自然也不可能十分準確。盡管如此，祖沖之把歲差應用到歷法中，在天文歷法史上卻是壹個創舉，為我國歷法的改進揭開了新的壹頁。到了隋朝以後，歲差已為很多歷法家所重視了，象隋朝的《大業歷》、《皇極歷》中都應用了歲差。
所謂交點月，就是月亮連續兩次經過“黃道”和“白道”的交叉點，前後相隔的時間。黃道是指我們在地球上的人看到的太陽運行的軌道，白道是我們在地球上的人看到的月亮運行的軌道。交點月的日數是可以推算得出來的。祖沖之測得的交點月的日數是27.21223日，比過去天文學家測得的要精密得多，同近代天文學家所測得的交點月的日數27.21222日已極為近似。在當時天文學的水平下，祖沖之能得到這樣精密的數字，成績實在驚人。
由於日蝕和月蝕都是在黃道和白道交點的附近發生，所以推算出交點月的日數以後，就更能準確地推算出日蝕或月蝕發生的時間。祖沖之在他制訂的《大明歷》中，應用交點月推算出來的日、月蝕時間比過去準確，和實際出現日、月蝕的時間都很接近。
祖沖之根據上述的研究成果，終於成功制成了當時最科學、最進步的歷法——《大明歷》。這是祖沖之科學研究的天才結晶，也是他在天文歷法上最卓越的貢獻。
此外，祖沖之對木、水、火、金、土等五大行星在天空運行的軌道和運行壹周所需的時間，也進行了觀測和推算。我國古代科學家算出木星（古代稱為歲星）每十二年運轉壹周。西漢劉歆作《三統歷》時，發現木星運轉壹周不足十二年。祖沖之更進壹步，算出木星運轉壹周的時間為11.858年。現代科學家推算木星運行的周期約為11.862年。祖沖之算得的結果，同這個數字僅僅相差0.04年。
此外，祖沖之算出水星運轉壹周的時間為115.88日，這同近代天文學家測定的數字在兩位小數以內完全壹致。他算出金星運轉壹周的時間為583.93日，同現代科學家測定的數字僅差0.01日。
公元462年（宋大明六年），祖沖之把精心編成的《大明歷》送給政府，請求公布實行。宋孝武帝命令懂得歷法的官員對這部歷法的優劣進行討論。在討論過程中，祖沖之遭到了以戴法興為代表的守舊勢力的反對。戴法興是宋孝武帝的親信大臣，很有權勢。由於他帶頭反對新歷，朝廷大小官員也隨聲附和，大家不贊成改變歷法。
祖沖之始終堅持自己的正確主張，同戴法興展開了激烈的辯論。這壹場關於新歷法優劣的辯論，實際上反映了當時科學和反科學、進步和保守兩種勢力的尖銳鬥爭。
戴法興首先上書皇帝，從古書中擡出古聖先賢的招牌來壓制祖沖之。他說，冬至時的太陽總在壹定的位置上，這是古聖先賢測定的，是萬世不能改變的。他說，祖沖之以為冬至點每年有稍微移動，是誣蔑了天，違背了聖人的經典。是壹種大逆不道的行為。他又把當時通行的十九年七闖的歷法，也說是古聖先賢所制定，永遠不能更改。他甚至罵祖沖之是淺陋的凡夫俗子，沒有資格談改革歷法。
祖沖之對權貴勢力的攻擊絲毫沒有懼色。他寫了壹篇有名的駁議。他根據古代的文獻記載和當時觀測太陽的記錄，證明冬至點是有變動的。他指出：事實十分明白，怎麽可以信古而疑今。他又詳細地舉出多年來親自觀測冬至前後各天正午日影長短的變化，精確地推算出冬至的日期和時刻，從此說明十九年七閏是很不精密的。他責問說：舊的歷法不精確，難道還應當永遠用下去，永遠不許改革？誰要說《大明歷》不好，應當拿出確鑿的證據來。如果有證據，我願受過。
當時戴法興指不出新歷到底有哪些缺點，於是就爭論到日行快慢、日影長短、月行快慢等等問題上去。祖沖之壹項壹項地據理力爭，都駁倒了他。在祖沖之理直氣壯的駁斥下，戴法興沒話可以答辯了，竟蠻不講理地說：“新歷法再好也不能用。”
祖沖之並沒有被戴法興這種蠻橫態度嚇倒，卻堅決地表示：“決不應該盲目迷信古人。既然發現了舊歷法的缺點，又確定了新歷法有許多優點，就應當改用新的。”
在這場大辯論中，許多大臣被祖沖之精辟透徹的理論說服了，但是他們因為畏懼戴法興的權勢，不敢替祖沖之說話。最後有壹個叫巢尚之的大臣出來對祖沖之表示支持。他說《大明歷》是祖沖之多年研究的成果，根據《大明歷》來推算元嘉十三年（436）、十四年、二十八年、大明三年（459）的四次月蝕都很準確，用舊歷法推算的結果誤差就很大，《大明歷》既然由事實證明比較好，就應當采用。
這樣壹來，戴法興只有啞口無言。祖沖之取得了最後勝利。宋孝武帝決定在大明九年（465）改行新歷。誰知大明八年孝武帝死了，接著統治集團內發生變亂，改歷這件事就被擱置起來。壹直到梁朝天監九年（510），新歷才被正式采用，可是那時祖沖之已去世十年了。
祖沖之還曾寫過《綴術》五卷，是壹部內容極為精采的數學書，很受人們重視。唐朝的官辦學校的算學科中規定：學員要學《綴術》四年；政府舉行數學考試時，多從《綴術》中出題。後來這部書曾經傳到朝鮮和日本。可惜到了北宋中期，這部有價值的著作竟失傳了。
《綴術》壹書，匯集了祖沖之父子的數學研究成果。這本書內容深奧，以至“學官莫能究其深奧，故廢而不理”。《綴術》在唐代被收入《算經十書》，成為唐代國子監算學課本，當時學習《綴術》需要四年的時間，可見《綴術》的艱深。《綴術》曾經傳至朝鮮，但到北宋時這部書就已軼失。
祖沖之在圓周率方面的研究，有著積極的現實意義，適應了當時生產實踐的需要。他親自研究過度量衡，並用最新的圓周率成果修正古代的量器容積的計算。
古代有壹種量器叫做“釜”，壹般的是壹尺深，外形呈圓柱狀，那這種量器的容積有多大呢？要想求出這個數值，就要用到圓周率。祖沖之利用他的研究，求出了精確的數值。他還祖沖之在數學領域的成就，只是中國古代數學成就的壹個方面。
實際上，14世紀以前中國壹直是世界上數學最為發達的國家之壹。比如幾何中的勾股定理，在中國早期的數學專著《周髀算經》（大約於公元前2世紀成書）中即有論述；成書於公元1世紀的另壹本重要的數學專著《九章算術》，在世界數學史上最早提出負數概念及正負數加減法法則；13世紀時，中國就已經有了十次方程的解法，而直到16世紀，歐洲才提出三次方程的解法。
祖沖之是中國古代壹位偉大的數學家和天文學家。在天文歷法方面，他所編制的《大明歷》，是當時最精密的歷法。在數學方面，他推算出準確到六位小數的圓周率，取得了當時世界上最優秀的成績。
祖沖之，不僅受到中國人民的敬仰，同時也受到世界各國科學界人士的推崇。1960年，蘇聯科學家們在研究了月球背面的照片以後，用世界上壹些最有貢獻的科學家的名字，來命名那上面的山谷，其中有壹座環形山被命名為“祖沖之環形山”。
1964年11月9日為了紀念祖沖之對中國和世界科學文化作出的偉大貢獻，紫金山天文臺將1964年發現的，國際永久編號為1888的小行星命名為為“祖沖之星”。