当然，日晷的使用是有限制的，只有当白天无云的时候才有效。有人建造了月晷，尽管它们的精度可能会随月亮的相位而变化，麦开特（特殊的天文仪器）则使用不同的星星来跟踪整个晚上的时间流逝。然而，时间记录者开始寻找非天文的方法来计时。
特殊的是，古希腊和古罗马是水钟的爱好者，尽管最古老的的水钟之一是在埃及法老阿蒙霍特普一世的墓中发现的，可以追溯到公元前1500年。这个最早的水钟是一个带有倾斜边的石壶，可以让水通过底部的一个小孔以一个固定的速率流出。这个壶的内部有刻度将不同的水位和时间联系起来。
为了提高水钟的精确度，一些水钟被机械化，通过控制水压使水的流动尽可能稳定。然而，水温的变化会导致每天时间30分钟的误差。
一些水钟引发了花式展览上雕像的移动，其他的则响起了钟声。第一个水基闹钟是在公元前427年柏拉图建造的。在柏拉图的钟里，水位一旦达到一定的高度就会被抽到另一个容器里，而这个容器有一根狭窄的管子。当水通过管子时，它就会发出像茶壶里的开水一样的鸣声。其中一个最复杂的水钟是由穆斯林工程师Al-Jazari在1206年设计和建造的，它是一个由重量驱动的亚洲大象形状的水钟。
还有一些依赖于自然介质稳定变化的计时方法包括香种、沙钟（也称沙漏）、油灯钟。然而，与水钟一样，他们的精确度依旧有限。
计时方面的下一个重大进步是机械钟的诞生，它将计时精度从几分钟提高到几秒。这不再是利用像水或沙这些物质的逐渐变化，而是采用了与这些物质完全脱离的机械，使用了一种可以在相同时间间隔释放少许、可控制能量的方式。为了完成这个目标，人们发明了很多机械装置，包括气缸、双工、杠杆机构和精密表机件，而它们都有不同的精度程度。
估计世界上最早在机械水钟表运用机械装置的人就是中国科学家和政治家苏颂，他建造了一座30英尺高的水力机械天文钟，不仅能告诉人们现在是何时，还能告诉人们今夕是何年何月。苏颂这座钟的大轮子辐条以一个稳定的速率装满水，但是这个装置只有在每个辐条中水位达到一定高度才会转动。他建造的钟表从1092年开始运营，直到1126年被政治对手拆毁。
尽管人们赞颂是伽利略发明了摆钟，但是第一个建造它的是荷兰科学家克里斯蒂安·惠更斯于1656年。他的装置实现了前所未有的精确，通过钟摆达到了一天低于一分钟的误差（后来改进之后使误差不超过一天10秒）。这个钟摆是以稳定的速度摇摆调节齿盘使指针以常规的时间间隔转动。钟摆最终会因空气中的阻力和摩擦停止摆动，所以它们通常会加上一个需要定期缠绕的弹簧，以储存弹性势能维持摆动。
