국보 제230호. 천체 관측용 측각기(測刻器)와 천문시계의 기능을 갖춘 기구. 현종 10년(1669)에 송이영(宋以穎)이 제작하였다.

혼천시계의 작동원리와 구조는 다음과 같다.

먼저 혼천시계는 2개의 추(錘)운동으로 움직이는데, 한 추는 시각을 가리키기 위한 바퀴와 톱니바퀴를 회전시키며, 다른 한 추는 종을 치는 장치를 움직이게 한다.

여러 개의 쇠공〔金鈴〕이 홈통〔鈴道〕안을 굴러 내려가면 종 치는 망치가 걸려서 종을 치고, 바퀴살에 붙어 있는 주걱이 내려온 쇠공을 들어올려 줌으로써 연속적으로 작동하게 되어 있다.

톱니바퀴는 주물을 부어내 물레와 줄로 정밀하게 깎은 놋쇠제이다.

이 시계장치와 연결되어(여러 개의 톱니바퀴로) 있는 혼천의(渾天儀)는, 육합의(六合儀) · 삼진의(三辰儀) · 지구의(地球儀)의 3부분으로 구성되어 있다.

육합의는 24방위(方位)가 표기된 지평환(地平環), 수직으로 주천도(周天度 ; 360개의 눈금)가 새겨진 천경흑쌍환(天經黑雙環), 위로 36도가 새겨진 북극과 아래로 36도가 새겨진 남극에 걸쳐 주천도가 새겨진 천위적단환(天緯赤單環)으로 이루어져 있어서 6방위의 기점(基點 ; 동 · 서 · 남 · 북 · 천정 · 천저)을 정하는 장치이다.

육합의 안에 있는 삼진의는 삼진의 흑쌍환(黑雙環) · 적도단환(赤道單環) · 황도(黃道)단환, 다시 그 안에 백도(白道)단환, 맨 안쪽의 양극의 추에 걸려 있는 흑단환 등으로 이루어져 있다.

지구의는 남북극을 축으로 하여 시계장치에 연결되어 하루에 1회전한다.