In der ersten Hälfte des 13. Jahrhunderts verhinderten die kriegerischen Wirren durch den Einfall der Mongolen ein intensives eigenes Beobachten.
In jener Zeit setzte sich Al-Tusi kritisch mit dem Werk von Ptolemaeus auseinander, das damals schon seit mehr als einem Jahrtausend als Grundlage der Astronomie galt. Al-Tusi bezeichnete Ptolemaeus' Gründe für eine stillstehende Erde als nicht stichhaltig – allerdings ging auch er nicht von einer Bewegung der Erde aus.
Seine fruchtbarste Schaffenszeit begann erst um das Jahr 1260, als er schon fast 60 Jahre alt war.
Der damalige Herrscher Hülegü, ein Enkel von Dschingis Khan, baute für Al-Tusi in Maragheh, im Nordwesten Irans, ein exzellentes Observatorium – unter Mitwirkung chinesischer Experten. Die Sternwarte verfügte unter anderem über einen vier Meter großen Mauerquadranten.
Über zwölf Jahre lang beobachtete Nasir al-Tusi präzise den Lauf der Planeten. Auf Basis dieser Daten berechnete er die damals besten Tafeln zur Vorhersage der Planetenbewegung.
Er bestimmte zudem die Präzession, das Eiern der Erdachse, verbesserte einige Beobachtungsinstrumente und vermutete ganz richtig, dass die Milchstraße am Himmel aus vielen kleinen Sternwolken bestehe.
Viel Zeit zum Forschen blieb ihm aber nicht mehr: 1274 ist Nasir al-Tusi im Alter von 73 Jahren gestorben.