数学是魏晋南北朝取得重大突破的学科，这一时期涌现了一批优秀的数学家。其中最为著名的是魏晋时期的数学家刘微和南北朝时期的祖冲之。
刘徽著有《九章算术注》和《海岛算经》。
在《九章算术注》中，刘微把具体的计算抽象到理论上的认识，从而创立了计算圆周率的方法，从圆内接正六边形开始，逐次加倍地增加边数，至九十六边形，计算出圆周率为3.14。他还认为：“割之弥细，所失弥小。割之又割，以至于不可割，则与圆周合体而无所失矣”。
《海岛算经》原名《重差》，主要讲述如何通过测量计算出物体的高、深、广、远的方法。
祖冲之是南北朝时杰出的科学家，在科学技术上有许多发明创造，尤其精于数学、历法和机械制造。数学方面著有《缀术》一书，后来被唐朝政府规定为算学的主要课本，考试经常从中命题，但遗憾的是，该书已失传。
祖冲之在刘徽的“割圆术”基础上，精确地计算出圆周率在3.1415926和3.1415927之间。他还引入两个新的概念：一为密率，圆径113，圆周355；一为约率，圆径7，圆周22。祖冲之求得的圆周率数值，在当时世界上是第一次。
一直到1427年，阿拉伯数学家阿尔·卡西（Al-Kashi）才超过祖冲之，将圆周率的数值算到到小数点后16位的精确度；但密率方面德国数学家奥托（ValenlinusOtto）在1573年才得出密率的数值。
不仅如此，祖冲之还研究出运用二次、三次代数方程求“开差幂”（已知长方形的面积和长、宽之差，用开平方的方法求它的长和宽）、“开差立”（已知长方柱体的体积和长、宽、高之差，用开立方的方法求它的边长）。祖冲之的儿子祖暅之也是一个数学家，他发现了刘徽没有解决的计算球体积的公式。
在天文历法方面，东晋著名的隐士虞喜著有《安天论》，他的主要贡献是发现“岁差”，他通过细心观察、分析，发现太阳从第一年冬至运行到第二年冬至，没有回到原来的位置上，计算出每50年向西移动1度，岁岁有差，因称之为岁差。可惜的是，他的这一发现在当时并没有受到重视，直到南北朝时期祖冲之才将它运用制定新的历法。
三国时，魏明帝施行景初历。刘宋元嘉初，改行何承天制定的《元嘉历》。何承天已经认识到岁差，但计算不准确，也没有用于修订历法。
祖冲之认为《元嘉历》多误，他说：“寻何承天所奏，意存改革，而置法简略，今已乖远。”于是，他制定了新历法，即《大明历》。祖冲之所用的每百年2度的岁差，虽然不够精确，但已经是历法的一大进步。到隋代。刘焯计算出岁差为75年差1度（今测是71年8个月差1度），已经比较精确了。
祖冲之在制定《大明历》时，还改革了置闰法。他说：“其一，以旧法一章十九岁有七闰，闰数为多，降二百年辄差一日。节闰既移，则应改法，历纪屡迁，实由此条，今改章法，三百九十一年，有一百四十四闰”。
依《大明历》，1年为365.24281481日，与今测的精确数据只差46秒。他又求得“交点月”（即月亮连续两次经过黄道和白道的同一交点所需的时间）为27.21223天，与今测精确数据相差不到1秒。但在当时的社会环境中，《大明历》被当权的官僚们斥为“诬天背经”，弃之不用。直到梁天监九年（510），才由梁武帝颁行。
在机械制造方面，祖冲之还发明了指南车、千里船、水磁磨和运输机械等，为中国古代科学作出了突出贡献。
