Οι αρχαίοι Έλληνες αστρονόμοι μέτρησαν τον χρόνο για πρώτη φορά χρησιμοποιώντας τον γνώμονα και την κλεψύδρα. Ο γνώμονας τους ήταν γνωστός από τους Χαλδαίους αστρονόμους και έτσι κατασκεύασαν τελειοποιημένους γνώμονες με τη βοήθεια των μαθηματικών τους γνώσεων.
Ο γνώμονας ήταν ένας κατακόρυφος στύλος μεγάλου ύψους που μετρούσε τον χρόνο κατά τη διάρκεια των ηλιόλουστων ημερών. Η κίνηση της σκιάς του γνώμονα έδινε πληροφορίες για τη χρονική διάρκεια της μέρας καθώς και για τον υπολογισμό των ωρών της.
Η κίνηση της σκιάς ήταν ουσιαστικά η φαινόμενη κίνηση του Ηλίου στην Ουράνια σφαίρα και ο χρόνος προσδιοριζόταν μέσω των ουρανογραφικών συντεταγμένων του Ηλίου, δηλαδή το αζιμούθιο και το ύψος του. Πρώτος εισήγαγε τον γνώμονα στην αρχαία Ελλάδα ο Αναξίμανδρος ο Μιλήσιος (610-540 π.Χ) και τον εγκατέστησε στη Σπάρτη. Εξέλιξη του γνώμονα αποτέλεσαν τα ηλιακά ρολόγια. Μετρούσαν τον αληθινό ηλιακό χρόνο και διακρινόταν σε οριζόντια, κατακόρυφα και ισημερινά ανάλογα με την κατεύθυνση του γνώμονα, την μορφή των χαραγών και την κλίση της ωρολογόπλακας. Ο γνώμονας έδειχνε την ημερήσια ώρα αρκετά ικανοποιητικά και το σφάλμα της μέτρησης προερχόταν λόγω της παρασκιάς του τμήματος της κορυφής του οργάνου.
Η κλεψύδρα χρησιμοποιήθηκε για τη μέτρηση του χρόνου κατά τη διάρκεια των μη ηλιόλουστων ημερών και κατά τη διάρκεια της νύκτας. Η αρχή λειτουργίας του οργάνου στηριζόταν στη συνεχή ροή ύδατος από ένα δοχείο υψηλότερης στάθμης σε ένα άλλο δοχείο χαμηλότερης στάθμης. Η σπουδαιότητα του οργάνου στη μέτρηση του χρόνου έγκειται στο ότι η λειτουργία της ήταν ανεξάρτητη της κίνησης των ουρανίων σωμάτων και έτσι ο χρόνος μπορούσε να προσδιοριστεί με σημαντική ακρίβεια, της τάξης ακόμα και κάποιων δευτερολέπτων. Η κλεψύδρα χρησιμοποιήθηκε ευρέως στα αρχαία αθηναϊκά δικαστήρια (6ος π.Χ. αιώνας) για τη μέτρηση της χρονικής διάρκειας της δίκης.
Σημαντικό όργανο για τον υπολογισμό του χρόνου, μέσω της κίνησης των άστρων, ήταν η ουράνια σφαίρα. Η ουράνια σφαίρα ήταν μια μικρογραφία της Ουράνιας σφαίρας όπου οι κινητοί και ακίνητοι κύκλοι της αντιστοιχούσαν στους κύριους κύκλους της Ουράνιας σφαίρας. Κατασκευαστές της θεωρούνταν ο Χείρων και ο Θαλής ο Μιλήσιος (636-546 π.Χ.). Βελτιωμένες ουράνιες σφαίρες κατασκεύασαν ο Εύδοξος ο Κνίδιος (409-356 π.Χ.) προσθέτοντας γνωστούς αστερισμούς και λαμπρά άστρα σε αυτήν (κρικωτή σφαίρα) και ο Ίππαρχος (2ος π.Χ. αιώνας), λαμβάνοντας υπόψη τη μετατόπιση της θέσης των πόλων του Ουρανού κατά 1ο ανά 73 έτη (μεταπτωτική σφαίρα).
Ο αστρολάβος (άστρο+λαμβάνω) ήταν ένα άλλο σημαντικό όργανο που προσδιόριζε το χρόνο μέσω του ύψους των αστέρων από τον ορίζοντα και της θέσης τους (σε εκλειπτικές συντεταγμένες). Επινοήθηκε από τον Ίππαρχο το 150 π.Χ. ή από τον Απολλώνιο τον Περγαίο (261-190/179 π.Χ.) και χρησιμοποιήθηκε ευρέως από τον Ίππαρχο. Η ακρίβεια του αστρολάβου ήταν πολύ ικανοποιητική και το σφάλμα στη μέτρηση της ώρας ήταν μικρότερο του ενός λεπτού.
Σημαντικό αστρονομικό όργανο ήταν και η διόπτρα, μια ξύλινη ράβδος κατά μήκος της οποίας γινόταν η σκόπευση των άστρων στο ουράνιο στερέωμα με έναν κύλινδρο που ήταν προσαρτημένος στο πάνω μέρος της ράβδου και είχε τη μορφή στοχάστρου. Επινοήθηκε από τους Ήρωνα (90 π.Χ-80 μ.Χ. περίπου), Αρχιμήδη (287-212 π.Χ.), Δικαίαρχο τον Μεσσήνιο (350-290 π.Χ.) και Ίππαρχο (190-120 π.Χ.). Με τη βοήθεια της διόπτρας υπολογιζόταν η ώρα από το ύψος των λαμπρών άστρων, δεδομένης της θέσης των άστρων στην Ουράνια σφαίρα.
Άλλα όργανα που χρησιμοποιήθηκαν κατά τους αρχαίους χρόνους από τους Έλληνες μελετητές του έναστρου ουρανού ήταν η πλινθίς (υπολογισμός μεσημβρινού του τόπου), η σκάφη (απεικόνιση πορείας του Ηλίου στην Ουράνια σφαίρα), ο παραλλακτικός χάρακας, το ηλιοτρόπιο ή ηλιόμετρο ή σκιάθηρον, η αράχνη, το καθέτιον, ο πόλος, το ηλιορολόγιο, οι αρθρωτοί κύκλοι, ο ισημερινός κρίκος, ο τροπικός κρίκος, η υδράρπαξ, το υδρολόγιον καθώς και όργανο με ισημερινή στήριξη.
Η ακρίβεια μέτρησης του χρόνου στην αρχαία Ελλάδα ήταν γενικότερα της τάξης μερικών πρώτων λεπτών των εποχιακών ωρών, ενώ οι λέξεις «πρώτα λεπτά» της ώρας και «δεύτερα λεπτά ή δευτερόλεπτα» δεν χρησιμοποιήθηκαν ποτέ. Μεγαλύτερης ακρίβειας μετρήσεις πραγματοποίησε ο μεγάλος αστρονόμος του 2ου αιώνα Κλαύδιος Πτολεμαίος. Παρ’ όλα αυτά δεν ανέφερε ως χρονικές μονάδες μέτρησης τα πρώτα λεπτά ή δευτερόλεπτα, αλλά τα πρώτα και δεύτερα λεπτά τόξου του κύκλου, χωρίζοντας την ώρα και τη μοίρα σε 60 πρώτα λεπτά και το κάθε πρώτο λεπτό σε 60 δεύτερα.
