早期的人类，观察到日升日落、昼夜更替和四季循环，建立起初步的时间观念。在长期的生产实践中，人类逐渐利用日影的移动、燃料的燃烧、物质的流动等原理制成了早期的计时工具。古代计时工具有圭表、各种日晷、以滴水多寡来计时的各种水钟，还有沙钟、火钟、蜡烛钟、辊弹漏刻千章铜漏、延佑滴漏、龙舟香漏、火龙出水、赤道式日晷、赤道经纬仪、浑仪等。
圭表是最古老的一种计时器，它利用影子的长短来判断时间。它由两部分组成，一是直立于平地上的测日影的标杆或石柱，叫做表；一为正南正北方向平放的测定表影长度的刻板，叫做圭。既然日影可以用长度单位计量，那么“一寸光阴一寸金”，用“分”、“寸”来表示光阴及时间的长短就顺理成章了。这种计时器结构和原理都很简单，而民间使用的“土圭”就更简单了，直接把一根杆子直立在地上，通过观察日影来估计时间。
日晷这种计时器也是通过观测日影来计时，不过它不像圭表一样通过判断日影长度来确定时间，而是根据日影的位置。日晷的主要部件是一根晷针和刻有刻线的晷面，随着太阳东升西落，晷针的投影会在晷面上移动，这样就可以指示时辰了。看上去，日晷像是圭表的小弟弟，两者都是利用太阳来指示时间，是古代的“太阳能”钟表。日晷绿色无污染，制造简单，因此从汉代开始便成为通常使用的计时器，一直到西方机械钟表传入中国才被淘汰。
虽然圭表和日晷优点很多，但对太阳有着强烈的依赖性，一旦阴天下雨或进入黑夜便毫无作用。于是能保证全天候计时的水钟应运而生，这就是“漏刻”。“漏”，是指漏壶；“刻”，是指刻箭。“箭”，则是标有时间刻度的标尺。漏刻是以壶盛水，利用水均衡滴漏原理，观测壶中刻箭上显示的数据来计算时间。和日晷相比，漏刻摆脱了自然条件的限制，因此很快便成为当时最重要的计时器。
不过水温和水质会直接影响水钟的使用和准确性，人们不得不另辟蹊径发明了“沙漏”。沙漏的制造原理与漏刻大体相同，它是根据流沙从一个容器漏到另一个容器的数量来计量时间。这种采用流沙代替水的方法，是因为我国北方冬天空气寒冷，水容易结冰的缘故。沙漏不像漏刻那样受到水压的影响，因此计时更加精确。
到了元明之际，定时器摆脱了天文仪器的结构形式，得到了突破性的新发展。元初郭守敬、明初詹希元创制了“大明灯漏”与“五轮沙漏”，采用机械结构，并增添盘、针来指示时间。可惜只是用于官方的天文学研究，并没有应用于实际生活中。但西方国家在14世纪就已经广泛使用机械钟了，西方人的时间观念开始领先于中国，这恐怕是中国人做事喜欢拖拖拉拉的一个原因吧。