楊廣素聞劉焯的才名，為彰顯自己的賢明，下令重新議定曆法，徵召劉焯東宮參與其事。
年近六旬的劉焯終於迎來了施展抱負的機會，他欣然應召，將自己十餘年的研究果融會貫通，增修完善，最終著《皇極曆》，進獻皇太子楊廣。
這部凝結了劉焯畢生心的歷法，在當時達到了前所未有的科學高度，堪稱中國古代曆法史上的里程碑之作。
《皇極曆》的科學創新主要現在以下幾個方面：其一，首次考慮了太視運的不均勻。
劉焯過長期觀測與數理推演，發現太在黃道上的執行速度並非恆定不變，而是時快時慢，他據此創立了黃道歲差的概念，較為確地計算出歲差數值，定出春分點每75年在黃道上西移1度，這一資料與現代天文學測算的結果極為接近。
其二，首創等間距二次差法與等差級數法。
劉焯將數學方法與天文觀測相結合，發明了用於計算日月五星位置的新演算法，有效提高了曆法推算的度，這一數學就不僅在天文學史上有重要意義，在數學史上也堪稱一大創舉。
其三，改進了日月食的推算方法。
劉焯首創月亮定日和太會定日的計算法，擴充了食食限概念，改進了食分計算法，還列出了九種日應食不食和七種日不應食而食的判別依據，對食虧起方位也作了詳細論述，使日月食的推算更加準確。
其四，創立了定氣計算法。
劉焯打破了以往曆法中使用平氣的傳統，首次採用定氣來劃分二十四節氣，為後世定氣、定朔計算指明瞭方向。
《皇極曆》的問世，得到了皇太子楊廣的首肯，卻因複雜的政治原因未能及時推行。
當時楊廣新立為太子，基未穩，不敢擅自做主修改曆法，便以《皇極曆》“未獲考驗”為由將其擱置。
而隋文帝因劉焯此前曾質疑《開皇曆》，對他始終心存芥，也不願採納其曆法主張。
劉焯見自己耗費十餘年心編撰的歷法無法推行，仕途也依舊無，心中充滿失，於仁壽元年（601年）稱疾返鄉。
返鄉後的劉焯，不久便到廢太子楊勇的傳召，而他尚未前往拜謁，便又接到隋文帝的敕令，命他前往蜀王楊秀麾下任職。
劉焯與劉炫均不願蜀，怒了蜀王楊秀，被派人帶枷押送到蜀地，劉焯被罰執杖守衛營帳，遭了極大的折辱。
直到仁壽二年十二月（603年初），蜀王楊秀被廢為庶人，劉焯才得以返回京師，被授予雲騎尉一職，與諸儒一同修定禮、律。
這段坎坷的經歷，並未磨滅劉焯的科學熱，他依舊堅持對曆法的研究，等待著曆法革新的機會。
仁壽四年（604年），隋文帝離世，隋煬帝楊廣即位。
劉焯認為新帝登基，曆法改革有，於是再次上書，詳細對比了自己的《皇極曆》與張胄玄曆法的優劣，指出張胄玄曆法中有相當一部分容源於劉孝孫歷和自己早年的歷法著作，屬於“竊取果”，並列出了七十五條證據，同時駁斥了張胄玄曆法的五百三十六條失誤。
此外，劉焯還上呈了《論律呂》一書，提出了一種全新的聲律方法——“劉焯十二等差律”，主張十二律各律管長度為等差數列，以解決古代三分損益法中仲呂不能復還黃鐘的問題。
然而，隋煬帝剛登基，不願貿然革新舊制，並未採納劉焯的建議，《論律呂》也隨之亡佚。
大業元年（605年），著作郎王邵、諸葛潁再次推舉劉焯改革曆法，隋煬帝雖任用張胄玄參校曆法，但也授予劉焯太學博士一職。
張胄玄等人見狀，加對《皇極曆》進行駁斥，聲稱其以定朔為算，會導致“月有三大三小”，違背傳統曆法慣例。
雙方圍繞曆法問題展開了激烈的辯論，互相駁難，是非不決。
同年，劉焯撰寫《論渾天》一文，力主過實測地球子午線來檢驗“寸差千里”之說的真偽——他建議在同一緯度的不同地點，測量圭表的日影長度，以實測資料來修正傳統說法的謬誤。
這一主張有極強的科學，比西方類似的實測工作早了近千年，卻因朝廷的保守與猜忌，未能得到實施。
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