Thứ đồng hồ nước đơn giản nhất gồm một bình hình trụ có chia độ nối với một ống nhỏ. Một bình chứa nước có chỗ thoát bớt, giữ cho nước chảy vào ống nhỏ với một lưu lượng nhất định. Sau khi bình hình trụ đã đầy, nước tự động chảy ra ngoài qua một ống hình chữ U nhờ nguyên tắc bình thông đáy. Người ta căn cứ vào mực nước dâng lên trong bình hình trụ để biết thời gian. Thí dụ mực nước lên tới vạch thứ 7 thì vào lúc đó, đồng hồ nước chỉ 7 giờ.

Các đồng hồ nước được cải tiến dần dần: một chiếc phao nổi trên mặt nước mang thanh gỗ có gắn một kim chỉ thị và kim này di chuyển trước một bảng có ghi thời giờ. Về sau trục của phao nổi lại được mắc vào một bánh xe răng cưa làm chuyển động kim chỉ thị trước một mặt có chia độ.

Đồng hồ nước tuy được phát minh sau đồng hồ mặt trời nhưng lại được dùng đồng thời với loại đồng hồ mặt trời. Trên bức tường trong ngôi nhà mồ tại một nghĩa địa của tỉnh Thèbes, Ai Cập, người ta còn tìm thấy chiếc đồng hồ nước của tu sĩ kiêm nhà thiên văn tên là Amenenhet, chết vào khoảng năm 1550 trước Tây Lịch. Nhờ đồng hồ nước, Amenenhet đã nhận xét rằng đêm đông dài 14 giờ, trong khi vào mùa hè, đêm chỉ dài 12 giờ và trong suốt một năm, đêm đã thay đổi nếu kể từ lúc mặt trời lặn tới khi mặt trời mọc. Như vậy đồng hồ mặt trời cho biết giờ giấc còn đồng hồ nước được dùng để đo các khoảng thời gian đã trôi qua.

Vào khoảng năm 250 trước Tây Lịch, Ctésibius người Hy Lạp đã nghĩ ra được một thứ đồng hồ nước rất tài tình vì có bút ghi rõ thời gian. Ở chiếc đồng hồ này, nước chảy vào trong bình hình trụ theo một hình thức thi vị hơn: những giọt nước mắt từ đầu chiếc tượng đã rơi dần dần vào trong bình. Khi nước dâng lên, chiếc phao nổi đưa lên cao một hình người có cầm ở tay một chiếc kim chỉ thị và đầu kim này là cây bút chuyển động trước một khối trụ thẳng đứng. Sau 24 giờ, nước chảy ra, rơi xuống một bánh xe đạp nước (roue à aubes) và bánh xe này làm khối trụ thẳng đứng quay đi một chút.

Về sau người ta cải tiến loại đồng hồ nước bằng cách thêm vào bộ phận răng cưa và đồng hồ nước đã trở nên một thứ máy móc tuy đắt tiền nhưng vẫn được các người sống trên miền bờ biển Địa Trung Hải đòi hỏi. Vào thế kỷ thứ nhất trước Tây Lịch, Pompée đã bắt các Tòa Án phải dùng đồng hồ nước để tránh các luật gia nói “lảm nhảm”. Do các nhà hùng biện cần nhiều thời gian để bênh vực một lý lẽ, nên không tránh sao khỏi có sự gian dối trong vấn đề thời giờ. Người ta đã khám phá ra các vụ hối lộ nhân viên giữ đồng hồ để kéo dài thời gian và mang tiếng hơn cả, có luật gia đã đổ cả thứ nước bùn vào đồng hồ khiến cho đồng hồ chạy chậm hơn là đối với thứ nước trong.

Một khuyết điểm khác của loại đồng hồ nước là về mùa lạnh, nước đông đặc. Jules César đã gặp trở ngại này khi dẫn binh lính sang đất Anh. Trong thời gian đồn trú tại nơi này, César đã nhận thấy đêm mùa hè của xứ Anh ngắn hơn tại La Mã và vì kiến thức về thiên văn của viên Tổng Tài này không được uyên thâm nên ông ta không biết rằng đó là do sự khác biệt về vĩ độ.

Vào các thời đại trước, sự chuyển động của đồng hồ nước còn phức tạp nên vào năm 490 khi Vua Théodoric tặng Vua Gondebault xứ Burgondes chiếc đồng hồ, nhà Vua đã phải gửi theo cả người biết điều khiển đồng hồ. Chiếc đồng hồ danh tiếng nhất thời trước là của ông Hoàng Ả Rập Haroum-al-Raschid gửi tặng Hoàng Đế Charlemagne vào năm 809. Chiếc đồng hồ này bằng đồng thau, có 24 quả tròn cũng bằng đồng rơi dần vào trong môt chậu để chỉ giờ.

Còn một loại đồng hồ nước khác chạy rất yên lặng nên được nhiều người dùng và vì vậy, rất được thịnh hành vào thế kỷ 17, thời kỳ của các đồng hồ quả lắc. Loại này gồm một cái trống kim loại hình trụ dẹp, bên trong chia thành các căn vách a, b, c, d. . . và các căn này thông với nhau bằng các lỗ nhỏ. Trọng lực đã làm cho nước chảy từ căn nọ sang căn kia và làm quay dần chiếc trống kim loại. Trục của trống xuống dần và di động trước một bảng chỉ thời giờ. Người ta chỉ cần nhìn xem trục ngang đó nằm ở con số nào để biết mấy giờ.