众所周知，祖冲之在刘徽开创的探索圆周率的精确方法的基础上，首次将“圆周率”精算到小数第七位，即在3.1415926和3.1415927之间，他提出的“祖率”对数学的研究有重大贡献。直到16世纪，阿拉伯数学家阿尔·卡西才打破了这一纪录。
历法成就
改革闰法
在古代，中国历法家一向把十九年定为计算闰年的单位，称为“一章”，在每一章里有七个闰年。也就是说，在十九个年头中，要有七个年头是十三个月，这种闰法一直采用了一千多年。412年，北凉赵厞创作《元始历》，才打破了岁章的限制，规定在六百年中间插入二百二十一个闰月。
祖冲之吸取了赵厞的理论，加上他自己的观察，认为十九年七闰的闰数过多，每二百年就要差一天，而赵厞六百年二百二十一闰也不十分准确。因此，祖冲之提出了391年144闰月的新闰法。
祖冲之的闰周精密程度极高，按照他的推算，一个回归年的长度为365.2428141日，与今天的推算值仅相差46秒。一直到南宋的《统天历》，才采用了比这更精确的数据。
应用“岁差”
根据物理学原理，刚体在旋转运动时，假如丝毫不受外力的影响，旋转的方向和速度应该是一致的；如果受了外力影响，它的旋转速度就要发生周期性的变化。地球就是一个表面凹凸不平、形状不规则的刚体，在运行时常受其他星球吸引力的影响，因而旋转的速度总要发生一些周期性的变化，不可能是绝对均匀一致的。因此，每年太阳运行一周（实际上是地球绕太阳运行一周），不可能完全回到上一年的冬至点上，总要相差一个微小距离。按现代天文学家的精确计算，大约每年相差50.2秒，每七十一年八个月向后移一度。这种现象叫作岁差。
随着天文学的逐渐发展，中国古代科学家们渐渐发现了岁差的现象。西汉的邓平、东汉的刘歆、贾逵等人都曾观测出冬至点后移的现象，不过他们都还没有明确地指出岁差的存在。到东晋初年，天文学家虞喜才开始肯定岁差现象的存在，并且首先主张在历法中引入岁差。他给岁差提出了第一个数据，算出冬至日每五十年退后一度。后来到南朝宋的初年，何承天认为岁差每一百年差一度，但是他在他所制定的《元嘉历》中并没有应用岁差。祖冲之继承了前人的科学研究成果，不但证实了岁差现象的存在，算出岁差是每四十五年十一个月后退一度，而且在他制作的《大明历》中应用了岁差。
首次提出“交点月”的计算
祖冲之在我国天文学史上第一次提出，月亮相继两次通过黄道、白道的同一交点的时间（即“交点月”）长度为27．2123日，与现今推算值仅相差十万分之一日，即不到1秒，由于日食、月食（统称交食），都发生在黄白交点附近，所以祖冲之的交点月长度对于日月食预报具有十分重要的意义。
推算出交点月的日数以后，就更能准确地推算出日蚀或月蚀发生的时间。祖冲之在他制订的《大明历》中，应用交点月推算出来的日、月蚀时间比过去准确，和实际出现日、月蚀的时间都很接近。
编撰《大明历》
经过实际观测，祖冲之发现何承天所编的当时正在执行的《元嘉历》有许多错误，如日月方位距实测值已相差3度，冬至、夏至已差了1天，五星的出没已差40余天，于是他着手编撰《大明历》。
祖冲之在《大明历》的编纂中，区分了回归年和恒星年，最早将岁差引进历法，提出了用圭表测量正午太阳影长以定冬至时刻的方法，并采用了391年加144个闰月的新闰周，推算出一个回归年为365.24281481日。一直到南宋的《统天历》，才采用了比这更精确的数据。
天文成就
祖冲之对木、水、火、金、土等五大行星在天空运行的轨道和运行一周所需的时间，也进行了观测和推算，给出了更精确的五星会合周期。中国古代科学家算出木星（古代称为岁星）每十二年运转一周。西汉刘歆作《三统历》时，发现木星运转一周不足十二年。
祖冲之进行了重新测量，得出木星每84年超辰一次的结论，即定木星公转周期为11.858年（今测为11.862年）。并得出更精确多五星会合周期，木星398.903日（误差0.019日），火星780.031日（误差0.094日），土星378.070日（误差0.022日），金星583.931日（误差0.009日），水星115.880日（误差0.002日）。
机械制造
祖冲之所制的指南车
祖冲之设计制造过水碓磨、铜制机件传动的指南车、千里船、定时器等。在中国古代指南车的名称由来已久，但其机制构造则未见流传。三国时代的马钧曾造指南车，至晋再次亡失。东晋末年刘裕攻长安，得后秦统治者许多器物，其中也有指南车，但“机数不精，虽曰指南，多不审正，回曲步骤，犹须人功正之”。南朝宋昇明年间(477-479年)萧道成辅政，“使冲之追修古法。冲之改造铜机，圆转不穷而司方如一，马钧以来未有也。”祖冲之所制指南车的内部机件全是铜的，它的构造精巧，运转灵活，无论怎样转弯，木人的手常常指向南方。
祖冲之改良了水碓磨。在西晋初年，杜预改进发明了“连机碓”和“水转连磨”。一个连机碓能带动好几个石杵一起一落地舂米；一个水转连磨能带动八个磨同时磨粉。祖冲之又在这个基础上进一步加以改进，把水碓和水磨结合起来，生产效率就更加提高了。这种加工工具，中国南方有些农村还在使用着。
祖冲之还设计制造过一种千里船，史载“又造千里船，于新亭江试之，日行百余里”。它可能是利用轮子激水前进的原理造成的，一天能行一百多里。
祖冲之曾制造过“欹器”。这种器具用来盛水“中则正，满则覆”，古人常放置在身边以自警，“晋时杜预有巧思，造欹器三改不成”。南齐永明年间竟陵文宣王萧子良“好古，冲之造欹器献之”。
其他成就
祖冲之的成就不仅限于自然科学方面，他还精通乐理．对于音律很有研究。祖冲之又著有《易义》《老子义》《庄子义》《释论语》等关于哲学的书籍，都已经失传了。文学作品方面他著有《述异记》，在《太平御览》等书中可以看到这部著作的片断。
玄幻文学
一只神奇的快递猎狗
《述异记》讲的真是一些奇异的传说，其画风跟祖教授一向严谨科学的作风似乎不太搭调，然而，确确实实是祖冲之写的，这也不难理解，对科学有热情的人，同时也会对文学有着执着的一面，严肃细致不等于不可以浪漫热情。
不知道祖冲之养不养宠物，不过他似乎对小动物很有爱心，在他的《述异记》里写到了一只可爱的猎狗，它的名字叫“黄耳”，狗的主人是谁呢？是晋朝大名鼎鼎的文学家陆机。陆机老师喜欢打猎，在江苏的时候，有人送给他一只狗，叫做“黄耳”。黄耳一点也不简单，首先，它能识人意，主人要它做什么，不用太多的提示；第二，它定位能力超级强，有一次离家三百里，居然不用任何导航，自个回来了，“又尝借人三百里外，犬识路自还，一日至家”，居然只用了一天时间，可见奔跑能力非同一般。真是一只神奇的狗狗。
终于到了考验黄耳的时候了。陆机是东吴人，他的祖上就是东吴有名的大将陆逊、陆抗，而陆机住在京师洛阳，有一回陆老师想家了，想给家里人捎个信，然后又叫家里人也回信，这个艰巨的任务就交给了黄耳。陆机对黄耳说了自己的意思，黄耳听懂了，“摇尾作声应之”。陆机就把信写好，放在一只竹筒里，竹筒就系在黄耳的脖子上。
黄耳就这么出发了，它能顺利完成主人交给的任务吗？
这只小狗很聪明，它能够利用人类的文明成果和爱心，它白天沿着驿站走，这样就等于是拿驿站给自己定位，饿了当然不好上饭店，于是跑到草丛里抓小动物吃。陆地还好说，如果碰上大江大河咋办？黄耳这时候就扮可爱，就耷拉着耳朵，对着船主人摇尾巴，船夫觉得它很可爱，于是就招呼它上船，“其人怜爱，因呼上船”。可见，早在晋朝，社会上就广有对动物的爱心人士。而黄耳也很会搞公关，能充分利用一些人士的爱心。
黄耳跋山涉水，终于到了主人的老家，它嘴巴里叼着竹筒，对着陆机的家里发出汪汪声，“口衔竹筒，作声示人”。陆机家里人打开竹筒，拿到了陆机的信，看完，黄耳又对着人发声，陆机家里人明白，又写了回信，托黄耳带回去。黄耳把回信带回到洛阳时，已经过了半个月，而人类在那个时代往返洛阳和东吴之间，要五十天时间，“计人行五旬，而犬往还裁半月”。
黄耳死后，陆机还舍不得，就把它葬在老家的村南，离陆机的家两百步，还特意“聚土为坟”，村里人都叫这座坟冢为“黄耳冢”。
保护动物
《述异记》里的一则关于猴子的故事，似乎谴责了人们滥杀野生动物的行为。话说在江西有一个名叫任考之的小官吏，他组织民工砍伐树木以作为造船材料，忽然看见一棵大树上有一只猴子，肚子大大的，明显是怀孕了。本来任考之是来伐树的，他却注意起这只猴子，忽然上树去抓猴子，“考之便登木逐猴”。本来按照常理，猴子比人要灵活，人徒手抓猴子几乎不可能，但任考之欺负这只猴子怀孕了，行动不便，而且此处不是森林，猴子在一棵孤零零的大树上，行动不便且不说，而且还无处可逃，树下面全都是人，“树既孤迥，下又有人”。任考之仗着自己动作灵活，马上去靠近这只猴子，“腾赴如飞”。
在这个绝望的时刻，猴子妈妈只好向人类求情，它可怜巴巴地“以左手抱树枝，右手抚腹”，等于告诉对方它怀孕了，放过它吧。
然而，猴子妈妈的求饶没有唤起任考之的同情心，他把母猴揪下来，丟在地上弄死了。猴子死后，剖开腹部一看，里面果然有猴胎儿。
任考之虐杀猴子的行径确实太残忍，后来也得到了惩罚，当然是一个神话式的惩罚，任考之当天晚上就梦见一位神灵，不知道是不是齐天大圣，当然，那时候还没有齐天大圣的故事，那位神灵责备他滥杀猴子，手段残酷，极其不人道，会有惩罚的。接着，任考之得到了一个奇异的惩罚，他居然脱离了人类，变成了老虎，然后进入了深山，“因渐化为虎，毛爪悉生，声音亦变，遂逸走入山，永失踪迹”。
这种荒诞的惩罚当然是不存在的，也是不科学的，但祖冲之老师写下它，并不等于相信它，而是一种文学的处理方式。一则讽刺任考之这个人的本性像老虎一样凶恶，完全没有人性；二则借这种荒诞的方式，让残杀野生动物的人尝一尝做野生动物的滋味。
