在我國歷史上，天文儀器的種類很多，有測角的，有測時的，有演示性的，有的還將幾種儀器聯在一起使用。其中圭表、漏刻、渾儀和渾象是最為常用的。我國最早使用的天文儀器大概是表，也就是《周髀算經》中的「髀」，通過測量表桿影子的變化，可以確定方位、時刻和節令。後來為了提高精度，在表下又加了一個平正的標準尺，這就是《周禮》一書中多次出現的「土圭之法」，所以這種測影儀器又叫圭表。由圭表又發展出多種多樣的測影儀器，如下面裝有羅盤或時間刻度盤等，它們又統稱日晷。秦漢時期就已有了專論日晷的著作，《漢書·藝文志》中記有《大歲謀日晷》29卷、《日晷書》34卷。
漏刻的起源也很早，傳說是黃帝發明的，考古研究認為在公元前三四千年我國就開始使用漏刻計時了。早期的漏刻只有貯水和受水兩個壺，由於結構簡單，所以要許多人輪流看守。《周禮》是我國最早提到漏刻的文獻，上面記載掌管漏刻的人員，自挈壺氏以下，有20人之多。後來，人們又在貯水壺上加一個能夠飄浮的小箭，上有刻度，隨水位降低而顯示不同的時間。秦漢時，已有浮箭式漏刻，也就是將有刻度的小箭放在受水壺中，隨著水量增多而逐漸上升。這樣改革，便於在貯水壺中添水，以保持水位和流速的穩定，也為發明多級補償式漏刻創造了條件。多級漏壺，就是用上一級漏壺漏出的水來補充下一級漏壺的水位，使其保持其本穩定，補償壺越多，最下面的漏壺的水位就越穩定，計時也就越準確。東漢張衡《渾天儀圖注》中記「漏水轉渾天儀」里用的是二級漏壺，是我國這項發明的最早記載。漢代專論漏刻的著作還有《常符漏品》和霍融的《漏刻經》等。魏晉南北朝時，漏刻又有重大發展，有許多改進和發明，漏刻專著就有十幾種。晉代孫綽的《漏刻銘》最早記載了三級補償式浮箭漏；梁代陸倕〔chui垂〕的《新漏刻銘》記載了祖暅用龍口承接吐水，避免了水波激蕩，不易讀刻數的發明。公元5世紀，北魏道士李蘭發明了秤漏，即用中國秤稱量流入受水壺中水的重量的變化來計量時間，其詳細結構都記載於李蘭所著的《漏刻法》中。該書中還記有一種稱為「馬上賓士」的漏刻，顧名思義，這是一種攜帶型的漏刻，可以在騎馬出行時計量時間。
渾儀和渾象，前者是觀測儀器，後者是演示天象的儀器，兩者的理論根據都是渾天說，因為它們都是以圓形的天球作為觀測和演示對象。渾儀約創製於公元前4世紀至公元前1世紀之間，據西漢末楊雄《法言》中的記載，漢武帝時落下閎〔hong洪〕曾製造過一架渾儀，另一位天文學家鮮於妄人用它來觀測。一般認為原始的渾儀可能由兩個圓環組成，一個是赤道環，其平面和赤道面平行，上面刻有周天度數；一個是四游環，也叫赤經環，能夠繞著極軸旋轉，上面也刻有周天度數。在四游環上附有窺管，可以繞著環的中心旋轉。旋動四游環和窺管，當窺管指向某待測天體時，它在各讀數環中的位置就是該天體的坐標。為了便於測定太陽的位置，東漢的傅安和賈逵在前人渾儀的基礎上又增設一個黃道環。張衡時又增加了一個地平環和一個子午環，至此，我國古代創製的渾儀就基本定型了。東晉時期前趙孔挺製造的一架渾儀，在渾儀發展中有著重要的地位。這架渾儀去掉了黃道環，使渾儀外重變成由地平、赤道、子午三個相交的大圓環組成的固定骨架；內重的四游環則變成直徑八尺的雙環，雙環直徑中間夾著可以轉動的望筒。孔挺的渾儀是我國最早有詳細結構記載的渾儀。
和渾儀一樣，渾象的發明也是一個謎，我們只知道西漢宣帝時耿壽昌曾製造過渾象。渾象的基本結構是在一個象徵地平的圈或框中，架著一個可以轉動的象徵天球的大圓球；大圓球上布滿星辰，畫有南北極、黃赤道、恆顯圈、恆隱圈、二十八宿、銀河等等。由於大圓球的轉動帶動星辰也轉，在地平以上的部分就是可以見到的天象了。東漢時期張衡曾發明了用漏壺中的流水推動渾象與實際天象同步運轉的水運渾象，並且附有一個叫蓂莢 的機構，是一個自動的機械日曆。《渾天儀注》實際上就是這架儀器的說明書。張衡的發明開創了後代製造自動運轉儀器的先聲。魏晉南北朝時，又造過多架渾象，劉宋元嘉十七年(公元440年)錢樂之造的小渾象，以白、黑、黃三色珠為星，以區別甘德、石申、巫咸三家星官。當陳卓的著作散失後，這是後世記載三家星官的主要依據。
由前面的敘述我們可以看出，至南北朝時期為止，我國的天文儀器有了很大發展，並且出現了許多專著，可惜除了極少部分外，大多都沒能流傳至今。像北朝信都芳寫的《器准圖》，全面介紹了渾儀、候風地動儀、漏刻等天文儀器，且圖文並茂，十分珍貴，也沒有流傳下來。我們今天之所以能了解南北朝以前天文儀器的發展情況，不能不感謝唐代的李淳風，他為我們留下了《晉書·天文志》和《隋書·天文志》兩部重要著作。在兩書《天文志》中，李淳風對前代儀象的發展情況進行了考證和追述，並作了簡要總結。像前趙孔挺的渾儀的詳細記載就見於《晉書·天文志》。由此開始，歷代史書《天文志》都將天文儀器的製造和發展列為重要內容。
唐代是我國天文學發展的一個重要時期，在天文儀器的製作上也譜寫了新篇章。在這方面，李淳風也是一個承前啟後的重要人物。他所製造的渾儀又加了黃道圈、白道環，而且根據實際天象，二環位置可以轉換。從李淳風開始，中國傳統渾儀的三重圈結構(即六合儀、三辰儀、四游環)已基本固定下來，成為後代渾儀的定式。李淳風著的《法象志》是一本天文儀器著作，記載了他的研究成果。開元年間，僧一行和梁令瓚〔zan贊〕又造了一架渾儀。這架渾儀在外重的六合儀上去掉赤道而增加了卯酉圈，因而外重為子午、卯酉、地平三圈交合，中間的三辰儀，也由三個大圓構成，赤道上每隔一度打一圓孔，表示赤道與黃道的交點。黃道環根據實際天象放到相應的一對圓孔中固定。這樣的裝置可使黃道在赤道內遊動，故名黃道游儀。一行等人的渾儀達到了完善階段，但其結構的複雜性也達到了高峰。為了實現唐玄宗要求製作更精巧的天文儀器的願望，一行和梁令瓚又研製了「開元水運渾天俯視圖」。這是繼張衡和隋朝耿詢之後的第三架水運渾象。這架渾象在天球外又增套了兩個環，一個環上運行太陽，一個環上運行月亮，並有木人擊鼓敲鐘報時。一些研究人員認為這架水運渾象已使用了擒縱裝置。關於一行等人的工作，《新唐書·天文志》和《舊唐書·天文志》都有記載。
宋元時代是我國天文儀器發展的高峰。宋代從太平興國四年(公元979年)至元祐七年(公元1092年)不到百年內，創製了五大渾儀，每架用銅都達兩萬斤左右，在數量和規模上為歷代王朝之冠。據《宋史》記載，燕肅在公元1031年發明了蓮花漏壺，首次使用了漫流系統，也就是在漏壺上部開孔，使多餘的水由此溢出，以保持水位的恆定。燕肅的發明最終取代了唐宋以來普遍使用的秤漏。宋代對天文儀器的改革是全方位的。1074年沈括向朝廷連上三道奏本——《渾儀議》、《浮漏議》、《景表議》，後人合稱《渾儀浮漏景表三議》。這是中國古代重要的天文儀器專著。在三篇奏本中，沈括回顧了歷代天文儀器製作的歷史及其優缺點，提出了改革建議。如在漏刻上考慮到水流量、水粘滯性、漏管的長度和半徑對計時精確度的影響；在測影時建議把圭表放在密室中，讓陽光從狹縫中穿入，以減少灰塵對陽光的散射。特別是他在渾儀製作上省去了白道環，將黃道環和赤道環固定，減少了多環對天空的遮擋。沈括的這項改革是渾儀由簡至繁，再由繁至簡的一個轉折點。在宋代，曾兩次製造水運儀象，一次是太平興國四年張思訓的「太平渾儀」，用水銀代替水作為渾儀的動力是他的一大革新。另一次就是蘇頌等人製造的著名的水運儀象台，這是天文儀器史上的一個傑作，其結構蘇頌在《新儀象法要》中有詳細的說明。宋代的天文儀器專著還有許多，光漏刻專著就有近20種，其中南宋顏頤仲的《銅壺漏箭制度》是中國古代流傳至今的所有漏刻著作中最為完整的一部。
元代是我國天文儀器製作的鼎盛時期。在這一時期對天文儀器的研製做出巨大貢獻的功臣當首推郭守敬。他先後設計製造出簡儀、高表、窺幾、仰儀、正方案、玲瓏儀等十幾種新天文儀器，其中最重要、最有獨到之處的是簡儀和高表。為了避免多環遮掩星區，妨礙觀測的弊病，他將傳統的渾儀分解為赤道經緯儀和立運儀兩大部分，並在窺管兩端加上十字絲，創造了結構簡單奇巧，便於觀測，精度更高的簡儀，最終完成了我國渾儀發展史上由繁至簡的改革。高表是郭守敬在前人基礎上的又一大革新。元之前的圭表一般高八尺，而郭守敬大膽地把表高增到四丈，並在表上增一水平橫樑，在圭面上設一利用小孔成像原理製成的景符。當太陽、橫樑和景符小孔連成一線時，圭面上形成的太陽和橫樑的倒影，清晰可見，大大提高了觀測精度