宋元佑三年（公元1088年）在著名科学家苏颂的倡议和领导下，一座杰出的天文记时仪器──水运仪象台，在当时的京城开封制成。水运仪象台的构思广泛吸收了以前各家仪器的优点，尤其是吸取了北宋初年天文学家张思训所改进的自动报时装置的长处；在机械结构方面，采用了民间使用的水车、筒车、桔槔、凸轮和天平秤杆等机械原理，把观测、演示和报时设备集中起来，组成了一个整体，成为一部自动化的天文台。
在苏颂所著的《新仪象法要》中详细介绍了水运仪象台的设计和制作情况，并附有多幅绘图。根据《新仪象法要》记载，水运仪象台是一座底为正方形、下宽上窄略有收分的木结构建筑，高大约有十二米，底宽大约有七米，共分为三大层。
上层是一个露天的平台，设有浑仪一座，用龙柱支持，下面有水槽以定水平。浑仪上面覆盖有遮蔽日晒雨淋的木板屋顶，为了便于观测，屋顶可以随意开闭，构思比较巧妙。露台到仪象台的台基有七米多高。
中层是一间没有窗户的“密室”，里面放置浑象。天球的一半隐没在“地平”之下，另一半露在“地平”的上面，靠机轮带动旋转，一昼夜转动一圈，真实地再现了星辰的起落等天象的变化。
下层设有向南打开的大门，门里装置有五层木阁，木阁后面是机械传动系统。
第一层木阁又名“正衙钟鼓楼”，负责全台的标准报时。木阁设有三个小门。到了每个时辰（古代一天分做十二个时辰，一个时辰又分为时初和时正）的时初，就有一个穿红衣服的木人在左门里摇铃；每逢时正，有一个穿紫色衣服的木人在右门里敲钟；每过一刻钟，一个穿绿衣的木人在中门击鼓。
第二层木阁可以报告十二个时辰的时初、时正名称，相当于现代时钟的时针表盘。这一层的机轮边有二十四个司辰木人，手拿时辰牌，牌面依次写着子初、子正、丑初、丑正等。每逢时初，时正，司辰木人按时在木阁门前出现。
第三层木阁专刻报的时间。共有九十六个司辰木人，其中有二十四个木人报时初、时正，其余木人报刻。例如：子正：初刻、二刻、三刻；丑初：初刻、二刻、三刻，等等。
第四层木阁报告晚上的时刻。木人可以根据四季的不同击钲报更数。
第五层木阁装置有三十八个木人，木人位置可以随着节气的变更，报告昏、晓、日出以及几更几筹等详细情况。
五层木阁里的木人能够表演出这些精彩、准确的报时动作，是靠一套复杂的机械装置“昼夜轮机”带动的。而整个机械轮系的运转依靠水的恒定流量，推动水轮做间歇运动，带动仪器转动，因而命名为“水运仪象台”。
苏颂主持创制的水运仪象台是十一世纪末我国杰出的天文仪器，也是世界上最古老的天文钟。国际上对水运仪象台的设计给予了高度的评价，认为水运仪象台为了观测上的方便，设计了活动的屋顶，这是今天天文台活动圆顶的祖先；浑象一昼夜自转一圈，不仅形象地演示了天象的变化，也是现代天文台的跟踪器械 — 转仪钟的祖先；水运仪象台中首创的擒纵器机构是后世钟表的关键部件，因此它又是钟表的祖先。从水运仪象台可以反映出中国古代力学知识的应用已经达到了相当高的水平。