中國古代天文曆法至唐代走向成熟，其主要標誌是曆法進一步規範，歷術進步，發現曆法與實際天象出現較大誤差後能及時編造新曆，並出現了許多很有特色的歷法。
李淵建唐之初，沿用隋《大業歷》。武德二年(619)又頒用傅仁均的《戊寅元歷》，開創了中國歷史上第一個在民用歷中採用定朔法的歷法。該歷關於日行盈縮、月行遲疾等計算方法，與大業歷大致相同。但採用定朔法可能會出現連大月或連小月的特殊現象，如貞觀十九年(645)出現了四個連大月，因而《戊寅元歷》受到攻擊，不得已又改用平朔，失去了其曆法的特徵。唐高宗麟德二年(665)起，頒用李淳風編造的《麟德歷》。《麟德歷》是一部著名的歷法，有不少創新，在中國曆法史上佔有重要地位。該歷再次採用定朔並獨創了一種進朔法，即根據朔日小余數據的具體情況，將朔日上退一日或下推一日，使相應大月變成小月或小月變成大月，從而解決了出現連續四個大月或三個小月的違反日常習慣的問題。《麟德歷》還採用“總法”1340作爲各天文數據的統一分母，立法巧捷，爲後世歷家所遵用。《麟德歷》的又一創舉是正式廢除沿襲已久的章蔀紀元之法，不用閏周而直接以無中氣之月置閏。由於該歷是以《皇極曆》爲基礎而編制的，在推算五星運動時考慮到日月五星的不均勻運動，並吸取了《皇極曆》的先進計算方法，且所得數據更爲精確。《麟德歷》的主要缺點是沒有在曆法會考慮歲差。這部曆法雖然是比較好的歷法，但畢竟存在誤差。《麟德歷》用到開元九年(721)已顯疏漏，於是唐玄宗詔令一行編撰新曆，於開元十五年編成《大衍曆》。這年十月，一行隨玄宗巡幸途中病逝。開元十七年(729)，《大衍曆》正式頒行全國。
《大衍曆》分“歷議”和“歷術”兩大部分，歷議論述編歷的原理，歷術則又細分爲步中朔術、發斂術、步日躔術、步月離術、步軌漏術、步交會術和步五星術等，這些是說明計算日月五星位置、運動、時刻和日月交食的方法。爲了取得制歷的數據，一行組織了大規模的天文測量，研製了新的天文儀器，測量了二十八宿距星及許多恆星的位置，對日月五星進行了大量的新的觀測，從而使《大衍曆》有了深厚的觀測基礎。通過觀測，一行發現：“日南至，日行最急，急而漸損，至春分及中，而後遲。至北日至，其行最舒，而漸益之，以至秋分，又及中，而後益急”，也就是說冬至時日行最急，夏至時日行最緩。這是對太陽週年視運動比較正確的認識，改正了劉焯以春分前一日日行最急，後一日最舒：秋分前一日最舒，後一日最急的錯誤說法。《大衍曆》的重要成就還有在計算太陽運動時創用定氣法，發明不等間距二次差內插法的數學方法，用以計算太陽的位置等。與《皇極曆》相比，《大衍曆》在計算日食的時候，不但考慮了不同地理緯度對日食的影響，還考慮了季節的影響，月亮視差對日食的影響等，並提出判別日食虧起方位角的方法。《大衍曆》也吸收了《麟德歷》的數學技巧，以3040爲通法，從而得到：1迴歸年=日;1朔望月=日;1周天=度的基本數據。《大衍曆》完善的體系爲以後各制歷家所效仿。
公元762年，因《大衍曆》未報代宗寶應元年六月望的月食，改頒郭獻之編修的《五紀曆》。建中四年(783)，又以《正元歷》替代了《五紀曆》。821年起頒行徐昂編撰的《宣明歷》。《宣明歷》有一些新發現和新成就，如在日食計算中引出時差、氣差和刻差三差，所用近點月與交點月的數值與今採用值相同，是一部較好的歷法。唐代最後使用的一部曆法是邊岡編撰的《崇玄歷》，昭宗景福二年(893)頒行。
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