祖冲之是通过对冬至日时刻的研究，取得科学突破的。祖冲之仔细研究了每日影长的变化规律，利用冬至日前后影长对称的关系，提出了确定冬至日时刻的新方法，该方法不受阴云蔽日不能测量日影的影响，能求出冬至时刻，此法为后世长久沿用。
在古代，要进一步提高历法的精度，必须从冬至时刻的测量方法上改进。西汉以后，古代天文学家已经习惯使用“八尺高表”，来测定冬至的日期。但是，用“八尺高表”简单地进行测量，并不能得到理想的结果。祖冲之首先从观测技术上改进，提高观测精度，由于冬至前后的影长变化不太明显，这给冬至时刻的准确测定带来困难，更重要的是简单的测量只能得到冬至发生的日期，而不能得到一天中什么时刻是冬至。
祖冲之想出一个新的方法，他不直接观测冬至那天日影的长度，而是观测冬至前后二十三四日的日影长度，再取它们的平均值，求出冬至发生的日期和时刻，又由于离开冬至日远些，日影的变化就快些，所以这一方法提高了冬至时刻的测定精度，使用这种观测方法的，祖冲之是世界第一人。
祖冲之制定的《大明历》的岁(一年)，实取365.2428日，比元代郭守敬的《授时历》，仅差0.0002日，这在当时来说是很精密的。一直到了南宋以后，才有人达到或超过祖冲之的观测水平。
冬至日期（东八区）的计算公式：（YD+C）-L
公式解读：Y=年数后2位，D=0.2422，L=闰年数，21世纪C=21.94，20世纪=22.60。
举例说明：2088年冬至日期=[88×0.2422+21.94]-[88/4]=43-22=21，12月21日冬至。
例外：1918年和2021年的计算结果减1日。
