司马迁不仅是我国古代伟大的史学家、思想家，在自然科学方面也有精深的造诣。他对古代历日制度的研究，在我国古代历法史上起着重要的作用；他的研究成果，在公元前一百年的西汉盛世，处于当时世界的领先水平。
    我国是农业大国，由于农业生产本身的需要，天文历法之学起源很早。正如顾炎武在《日知录》中所说：“三代以上，人人皆知天文。‘七月流火’，农夫之辞也；‘三星在天’，妇人之语也；‘月离于毕’，戌卒之作也；‘龙尾伏辰’，儿童之谣也。”但因为古历的原本早已失传，古历的内容也只能推知其大概。据《汉书·艺文志》载，汉时尚存《黄帝五家历》三十卷、《颛项历》二十一卷、《颛顼五星历》十四卷、《夏殷周鲁历》十四卷等。说明司马迁写《史记》之时，“古六历”还没有尽失，他对先秦古历的研究，是有文字资料可循的。
    司马迁对历日制度的研究成果，主要有两个方面：一是总结我国历法的产生和发展；二是主持制订历法--《历术甲子篇》。这两项成果均写入《史记·历书》。
    司马迁指出：黄帝以前的古历“建正作于孟春。于时冰泮发蛰，百草奋兴，秭鳺先皋。……时鸡三号，卒明。……日归于西，起明于东；月归于东，起明于西”（注：《史记·历书》。）。说明历法起源于人们对天象、物候的观测。上古时期，人们以日出日入、月明月晦建立日、月的概念，而年的概念则肇始于物候。又说：“王者易姓受命，改正朔、易服色，推本天元，顺承厥意。”至黄帝时，“考定星历，建立五行，起消息、正闰余，于是……民神异业，敬而不渎，故神降之嘉生。民以物享，灾祸不生，所求不匮。”（注：《史记·历书》。）说明历法的制订，首先是农业生产的需要，时序不乱，上天才能降嘉谷给生民；其次是政治上的需要，历代君主都把颁布历法作为改朝换代的重要任务，王朝易姓之时，必“改正朔、易服色，所以明受命于天也”（注：《汉书·律历志》。）。这就决定了古代的历法制度，既有科学的内容，又有迷信色彩。同时，司马迁还发现了三代以前两次历制的紊乱。一次是少昊时期，“九黎乱德，民神杂扰，不可放物，祸灾荐生。”一次是帝尧继位之前，因“三苗服九黎之德”，司历之官“咸废所职，而闰余乖次，孟陬殄灭，摄提无纪，历数失序”。至帝尧时，起用重、黎氏（上古专司天地四时的家族）的后裔羲氏、和氏掌司历之职，“明时正度，则阴阳调、风雨节、茂气至，民无夭疫。”（注：《史记·历书》。）尧舜禹时期是传说中的盛世，其中一个重要原因，是部落联盟酋长都把观象制历作为头等重要的大事嘱托继位之人。《史记·历书》据《尚书·尧典》记载了这个事实：尧“年耆禅舜，申诫文祖，云‘天之历数在尔躬’，舜亦以命禹。”可见，历法的统一与否也是国家治乱的象征，“天下有道，则不失纪序；无道，则正朔不行于诸侯。”
    关于夏、商、周三代的历制，因文献缺乏，难考其详，而《史记·历书》关于“三正”的说法应属可信，因为司马迁的依据主要是《左传》。《左传》有“火出，於夏为三月，於商为四月，於周为五月”（注：《左传·昭公十七年》。），《史记·历书》据以得出“夏正以正月，殷正以十二月，周正以十一月”的结论。“火”指大火星，即心宿二，又称“辰”，古人常以它的运行规律检验历法的正误，并以火出之月为辰，即夏历三月。据此，则应为夏正建寅、殷正建丑、周正建子。《左传》又有“先王之正时也，履端于始，举正于中，归邪于终”（注：《左传·文公元年》。）。《史记·历书》又引以为周正建子的依据。对“举正于中”，古人有不同解释。（注：杨伯峻：《春秋左传注》。）而对“履端于始”、“归邪于终”的理解，自古迄今没有疑义。三国时人韦昭谓“履端于始”为“正历必先称端始也，若十一月朔旦冬至也”，又谓“邪，余分也；终，闰月也”（注：《史记·集解》引。）。当代注释学家杨伯峻据江勇《群经补义》说解：“履端于始，始指冬至，谓步历以冬至为始也……归余于终者，置闰月或三年或二年，常置于岁终也。”（注：杨伯峻：《春秋左传注》。）
    《春秋》是一部可信的编年史。以《春秋》三传而论，《公羊传》和《谷梁传》成书于西汉，多穿凿附会之词。《左传》成书于战国时期，保存了大量原始材料。所以司马迁写《史记》多采《左传》。根据《左传》的记载，春秋战国时期已有“三正”的说法。“三正”指夏、商、周三代不同的历日制度，也指战国时期不同地域的历日制度。
    又据《左传》所称“夏数得天”可看出，春秋战国之时，人们已经发现夏正与自然气象适应，得四时之正，历法有走向统一的趋势。但由于列国纷争，未遑历事，加上邹衍的“五德终始”说的影响，使历制的发展又出现了一次反复。《史记·历书》客观地反映了这一动向：“幽、厉之后，周室衰微，陪臣执政，史不记时，君不告朔，故畴人子弟分散，或在诸夏，或在夷狄，是以其祥废而不统。”“其后，战国并争，在于强国禽敌，岂遑念斯哉！”据《汉书·律历志》载，春秋战国时各国所行历法主要有六种：黄帝历、颛顼历、夏历、殷历、周历、鲁历，合称“古六历”。《开元占经》谓颛顼历、夏历以寅正，黄帝历及殷历、周历、鲁历以子正。