早期的人類，觀察到日升日落、晝夜更替和四季循環，建立起初步的時間觀念。在長期的生產實踐中，人類逐漸利用日影的移動、燃料的燃燒、物質的流動等原理製成了早期的計時工具。古代計時工具有圭表、各種日晷、以滴水多寡來計時的各種水鍾，還有沙鍾、火鍾、蠟燭鍾、輥彈漏刻千章銅漏、延佑滴漏、龍舟香漏、火龍出水、赤道式日晷、赤道經緯儀、渾儀等。
圭表是最古老的一種計時器，它利用影子的長短來判斷時間。它由兩部分組成，一是直立於平地上的測日影的標杆或石柱，叫做表；一為正南正北方向平放的測定表影長度的刻板，叫做圭。既然日影可以用長度單位計量，那麼「一寸光陰一寸金」，用「分」、「寸」來表示光陰及時間的長短就順理成章了。這種計時器結構和原理都很簡單，而民間使用的「土圭」就更簡單了，直接把一根杆子直立在地上，通過觀察日影來估計時間。
日晷這種計時器也是通過觀測日影來計時，不過它不像圭表一樣通過判斷日影長度來確定時間，而是根據日影的位置。日晷的主要部件是一根晷針和刻有刻線的晷面，隨著太陽東升西落，晷針的投影會在晷面上移動，這樣就可以指示時辰了。看上去，日晷像是圭表的小弟弟，兩者都是利用太陽來指示時間，是古代的「太陽能」鐘錶。日晷綠色無汙染，製造簡單，因此從漢代開始便成為通常使用的計時器，一直到西方機械鐘錶傳入中國才被淘汰。
雖然圭表和日晷優點很多，但對太陽有著強烈的依賴性，一旦陰天下雨或進入黑夜便毫無作用。於是能保證全天候計時的水鍾應運而生，這就是「漏刻」。「漏」，是指漏壺；「刻」，是指刻箭。「箭」，則是標有時間刻度的標尺。漏刻是以壺盛水，利用水均衡滴漏原理，觀測壺中刻箭上顯示的數據來計算時間。和日晷相比，漏刻擺脫了自然條件的限制，因此很快便成為當時最重要的計時器。
不過水溫和水質會直接影響水鐘的使用和準確性，人們不得不另闢蹊徑發明了「沙漏」。沙漏的製造原理與漏刻大體相同，它是根據流沙從一個容器漏到另一個容器的數量來計量時間。這種採用流沙代替水的方法，是因為我國北方冬天空氣寒冷，水容易結冰的緣故。沙漏不像漏刻那樣受到水壓的影響，因此計時更加精確。
到了元明之際，定時器擺脫了天文儀器的結構形式，得到了突破性的新發展。元初郭守敬、明初詹希元創製了「大明燈漏」與「五輪沙漏」，採用機械結構，並增添盤、針來指示時間。可惜只是用於官方的天文學研究，並沒有應用於實際生活中。但西方國家在14世紀就已經廣泛使用機械鐘了，西方人的時間觀念開始領先於中國，這恐怕是中國人做事喜歡拖拖拉拉的一個原因吧。