人類(lèi)最早使用的計時(shí)儀器是利用太陽(yáng)的射影長(cháng)短和方向來(lái)判斷時(shí)間的。前者稱(chēng)為圭表，用來(lái)測量日中時(shí)間、定四季和辨方位；后者稱(chēng)為日晷，用來(lái)測量時(shí)間。二者統稱(chēng)為太陽(yáng)鐘。
公元前1300～前1027年，中國殷商時(shí)期的甲骨文，已有使用圭表的記載?！对?shī)經(jīng)·國風(fēng)·定之方中》篇有，“定之方中，作于楚宮。揆之以日，作于楚室……”。確切記載使用圭表的時(shí)間為公元前659年。
圭表等太陽(yáng)鐘在陰天或夜間就失去效用。為此人們又發(fā)明了漏壺和沙漏、油燈鐘和蠟燭鐘等計時(shí)儀器。
中國古代應用機械原理設計的計時(shí)器主要有兩大類(lèi)，一類(lèi)利用流體力學(xué)計時(shí)，有
刻漏和后來(lái)出現的
沙漏；一類(lèi)采用機械傳動(dòng)結構計時(shí)，有
渾天儀、
水運儀象臺等。此外，還有應用天文原理（大都根據日影方向測定時(shí)間）計時(shí)的
日晷，它也是中國最古老的計時(shí)器之一。
圭表中的“表”是一根垂直立在地面的標竿或石柱；“圭”是從表的跟腳上以水平位置伸向北方的一條石板。每當太陽(yáng)轉到正南方向的時(shí)候，表影就落在圭面上。量出表影的長(cháng)度，就可以推算出冬至、夏至等各節氣的時(shí)刻。表影最長(cháng)的時(shí)候，冬至到了；表影最短的時(shí)候，夏至來(lái)臨了。它是我國創(chuàng )制最古老、使用最熟悉的一種天文儀器。
又稱(chēng)漏刻、漏壺。漏壺主要有泄水型和受水型兩類(lèi)。早期的刻漏多為泄水型。水從漏壺底部側面流泄，格叉和關(guān)舌又上升，使浮在漏壺水面上的漏箭隨水面下降，由漏箭上的刻度指示時(shí)間。后來(lái)創(chuàng )造出受水型，水從漏壺以恒定的流量注入受水壺，浮在受水壺水面上的漏箭隨水面上升指示時(shí)間，提高了計時(shí)精度。
為了獲得恒定的流量，首先應使漏壺的水位保持恒定。其次，向受水壺注水的水管截面面積必須固定，水管采用“渴烏”（虹吸）原理，便于調整和修理。有兩種保持水位恒定或接近恒定的方法，均見(jiàn)于宋代楊甲著(zhù)《六經(jīng)圖》（刊于1153年）中的“齊國風(fēng)挈壺氏圖”。圖中“唐制呂才（約公元600～650）定”刻漏是在漏壺上方加幾個(gè)補償壺，“今制燕肅(1030)定”刻漏采用溢流法，深四寸。多余的水由平水壺（下匱）通過(guò)竹注筒流入減水盎。燕肅創(chuàng )制的漏壺叫蓮花漏，北宋時(shí)曾風(fēng)行各地。
《全上古三代秦漢三國六朝文·全后漢文》中在桓譚（卒于公元56年）的文章里說(shuō)刻漏度數因干、濕、冷、暖而異，在白天和夜間需要分別參照日晷和星宿核對。當時(shí)已認識到水溫和空氣濕度對刻漏計時(shí)精度的影響。
刻漏的最早記載見(jiàn)于《周禮》。已出土的文物中最古老的刻漏是西漢遺物，共3件，均為泄水型。其中以1976年內蒙古自治區伊克昭盟杭錦旗出土的青銅漏壺最為完整，并刻有明確紀年。比較完整的傳世刻漏有兩個(gè)，均為受水型：一個(gè)在北京中國歷史博物館，是元代延祐三年(1316)造；一個(gè)在北京故宮博物院，是清代制造。
因刻漏冬天水易結冰，故有改用流沙驅動(dòng)的?！睹魇?#183;天文志》載明初詹希元創(chuàng )造了“五輪沙漏”。后來(lái)周述學(xué)加大了流沙孔，以防堵塞，改用六個(gè)輪子。宋濂(1310～1381)著(zhù)《宋學(xué)士文集》記載了沙漏結構，有零件尺寸和減速齒輪各輪齒數，并說(shuō)第五輪的軸梢沒(méi)有齒，而裝有指示時(shí)間的測景盤(pán)。
古代文獻中有漢武帝時(shí)(公元前140～前87)洛下閎、鮮于妄人作渾天儀之說(shuō)，但未提到它的結構?！稌x書(shū)·天文志》記載東漢張衡 (公元78～139)制造渾天儀，說(shuō)在密室中用漏水驅動(dòng)，儀器指示的星辰出沒(méi)時(shí)間與天文觀(guān)察的結果相符?！缎绿茣?shū)·天文志》對唐開(kāi)元十三年(725)僧一行和梁令瓚設計的渾天儀有較詳細的記述。儀器上分別裝有日、月兩個(gè)輪環(huán)，用水輪驅動(dòng)渾象。渾象每天轉一周，日環(huán)轉1/365周，儀器還裝有兩個(gè)木偶，分別擊鼓報刻，是一座上狹下廣的木建筑。
為北宋元祐三年(1088)蘇頌、韓公廉等人所制。他們于紹圣(1094～1097)初年著(zhù)《新儀象法要》，載有總圖和部件圖多幅。這臺水運儀象臺高三丈五尺余， 寬二丈一尺，是一座上狹下廣的木建筑。臺的下層有提水裝置，由人力推動(dòng)河車(chē)，帶動(dòng)升水上輪和下輪（筒車(chē)），將水提到天河（受水槽），注入天池（蓄水池）。臺中平水壺保持水位恒定，并通過(guò)一定截面的水管向樞輪（水輪）上的受水壺流泄恒定流量的水，推動(dòng)樞輪。樞輪通過(guò)傳動(dòng)齒輪帶動(dòng)晝夜機輪、渾象和渾儀。
水運儀象臺有一套比較復雜的齒輪傳動(dòng)系統。 在樞輪的上方和圓周旁有“天衡”裝置──擒縱機構，這是計時(shí)機械史上一項重大創(chuàng )造，它把樞輪的連續旋轉運動(dòng)變?yōu)殚g歇旋轉運動(dòng)。
1276年，中國元代的郭守敬制成大明燈漏。它是利用水力驅動(dòng)，通過(guò)齒輪系及相當復雜的凸輪機構，帶動(dòng)木偶進(jìn)行“一刻鳴鐘、二刻鼓、三鉦、四鐃”的自動(dòng)報時(shí)。
