在元代，蒙古族占统治地位，经济和文化的发展都大不如前，但是天文学的发展却很明显：郭守敬先后制造了简仪、高表、仰仪等近20件天文仪器，大大提高了观测精度；中统十七年，《授时历》告成，与前代相比，历法的基本数据更加精密，计算方法也有所进步。
天可望而不可知，因为对上天的崇拜，所以蒙古族经常利用占卜师预测重大活动并做出决策。成吉思汗在征战中带有许多星占家，其主要任务是在重大军事行动作出预卜。《元史》记载：“己卯夏六月，帝西讨回回国。禡旗之日，雨雪三尺，帝疑之，楚材曰：‘玄冥之气，见于盛夏，克敌之征也。’庚辰冬，大雷，复问之，对曰：‘回回国主当死于野。’后皆验。”“楚材”即耶律楚材，字晋卿，号谌然居士，蒙古名吾图撒合里(意为长髯人)。辽太祖耶律阿保机九世孙。金尚书右丞耶律履之子。他博览群书，旁通天文、地理、律历、术数及释志、医卜之说。金章宗时任开州同知。宣宗时任左右司员外郎。此段材料记载的便是1218年，耶律楚材被成吉思汗召至漠北。次年随之西征，一直被当作占卜星象家、医生、书记官使用的一段经历。天象预测的准确，使得崇敬上天的蒙古族对星象占卜更为热衷，成吉思汗见识到星象占卜的准确性之后，所以“帝每征讨，必命楚材卜，帝亦自灼羊胛，以相符应”。
元代天文星占的普及与其信仰宗教联系密切。蒙古族所尊崇的是原始宗教萨满教，萨满教相信万物有灵，天地、日月、山川、树木都有神灵主宰，天是宇宙万物的最高神灵。蒙古族有崇敬上天的习俗。《蒙鞑备录》记载：“今成吉思汗皇帝及将相大臣，皆黑鞑靼也，……其俗最敬天地，每事必称天。”《黑鞑事略》记其风俗：“其常谈必曰托着长生天底气力，皇帝的福荫。彼所欲为之事，则曰：天教怎地；人所已为之事，则曰：天识着。无一事不归于天，自鞑主至其民，无不然。”
关于蒙古族的敬天表现，蒙古族学者道润梯步在《新译简注〈蒙古秘史〉》中说蒙古是个敬天的民族，而天是个永恒的存在，故曰长生天。据此看来，“蒙古”一词似与长生天有关。蒙古即忙豁勒，是由长生天的音节和表示氏族或部落传统的象征物之炉灶之火一词结合而形成的，故蒙古云者，即长生(或永恒)的部族之意。元人认为“长生天”是永恒的，“长生天者，谓天道久远之义；气力者，大也；里者，内也。钦惟圣朝，荷天地之洪禧，奄有万邦，薄海内外，悉皆臣属，故曰长生天气力里。旧曰上头天底气力里，或曰上天气力里”。
除了萨满教，道教在元代也较为受到重视。丘处机是金、元之际全真道领袖。1219年，西征途中的成吉思汗，遣使来召。于是，1221年春，“（丘）处机乃与弟子十有八人同往见焉”，于次年四月到达大雪山(阿富汗兴都库什山)晋见成吉思汗。“既见太祖大悦赐食”，被誉为丘神仙。1223年东归，住在燕京太极宫(今北京白云观西侧)，成吉思汗任命他掌管天下道门，这为全真教的大发展奠定了基础。元代在灭南宋之前，侧重在争取、拉拢、利用北方的全真教、太一教等道教宗派，在灭南宋之后，为了限制全真教势力过度膨胀，重点转向南方道教宗派，采取限制和利用相结合的两手政策。1295年之后，全真教重新得到元成宗扶持。大体上，元代统治者为了稳定中原人心，巩固统治，采取扶持道教发展的策略。
道家崇尚自然无为的天道观，天道，作为自然之天，是宇宙论意义上的终极本体。道教的天命观与老庄思想的“天道自然”不同，在道教的天命神学中，天完全恢复人格神的一切特征，因此赏善罚恶皆是出自天及其附属神祇之意志，强调了天对人的主宰性和不可变易性。
《太平经》是干吉所作，是道家演变为道教的重要著作。“天者，乃道之真，道之纲，道之信，道之所〔四〕因缘〔五〕而行也”，“天”是最高的范畴，“‘道’者，乃天所案行也。天者最神，故真神出助其化也”。因此，道家的“道法自然”在道教演变为“人法神意”，提出“天乃为人垂象作法，为帝王立教令，可仪以治，万不失一也”，所以，人的行为必须按天神的旨意而定，如天道尊阳卑阴，人间必须尊君卑臣、卑民。又说，“凡天下灾异，皆随治而起”，如果统治者政治清明，则“日月为其大明，列星守度，不乱错行，是天喜之证也”；反之，则“天下之灾异怪变万类，皆天地阴阳之变革谈语也”。所以统治者受命于天，王者受禄于天，强调天的主体性、神圣性和宗教性。
道教追求得道成仙，“老而不死曰仙；仙，能超升也”，，神是先天之气所化，成仙是道教徒的最高目标。全真教认为，修炼的最终目标是，修炼到阳神出窍后，一旦天帝召见，就可上升到仙境。道教对天的信仰和服从，所以元代对天象和星占的重视也就不足为奇了。