说到浑仪，我们便不能不提及《尧典》中讲到的“璇玑玉衡”，这四个字究竟如何解释，在汉代实际就已很难搞清。当时有些人主张它是早期的浑仪，认为璇玑可能是一种星座定位器，而玉衡则是浑仪的核心——窥管，事实上直到唐代，浑仪上的窥管仍然延用这一名称。这两样东西显然都是用玉制成的。传统窥管的样式是外方内圆，如果璇玑可以理解为是一种圆形玉璧或类似的玉器，那么这两种东西在新石器时代都已出现了，不过现在还没有足够的证据能够证明它们就是最古老的天文仪器。
浑仪在先秦时代就已经存在，马王堆帛书《五星占》、《石氏星经》和《淮南子》等早期文献中，都给出了精确的五星会合周期和二十八宿距度，显然这些数据只有借助于具有相当精确度的仪器才能获得。西汉的落下闳虽然在年轻时就能够制造浑仪，但却不明白其中的道理，显然这并不是他的发明。后来他用浑仪观测天象，测定二十八宿距度和五星运动，为制定《太初历》取得了第一手资料。
浑仪的发展经历了由简而繁，又由繁而简的过程，然而它的精度与合理性却随着这种改变逐渐提高。早期浑仪的结构究竟怎样，现在已很难知道，只有公元4世纪初东晋孔挺制造的一具浑仪可以帮助我们了解一些情况。这具浑仪分内外两重，外重固定不动，包括地平环、赤道环和子午环，地平环与赤道环是单环，子午环是双环。子午环在天球南北极的位置相连，并各开有一个圆孔，圆孔中心的连线就是天球的极轴。赤道环和子午环分别与地平环相交于东、西、南、北四点，这四个位置装有四根托柱支撑整座仪器。内重可以移动，包括四游环和观测用的窥管(也叫望筒)。四游环由两个平行双环组成，双环上有双轴作为直径，双轴都伸出环外各二寸余并彼此接合，接合处开有圆孔，然后将其插入外重子午环的南北两极孔中，从而使内重的四游双环可以在外重的赤道、子午和地平三环之内绕北极转动。四游环的双轴及双环之间夹有一只方柱圆孔的窥管，称作“衡”，这是浑仪中最关键的部分，衡的中腰固定在两轴的中心，以便使窥管绕双环中心沿四游环旋转。因此，随着四游环围绕极轴的旋转，窥管就可以指向天空中的任何一点。
汉代以前的浑仪结构肯定不会比这更复杂，公元2世纪初，东汉的贾逵在浑仪上增加了黄道环，用来测量日月五星的运动，此项改进由于最初出自民间，因此它完成的时间可能更早。新设想看来并没有被人们普遍接受，孔挺的浑仪仍然是赤道式的，这种局面直到唐代初年才有所改观。
北魏鲜卑族天文学家斛兰在永兴四年(412年)铸成的铁浑仪于唐初仍在使用，这个仪器与当时的天文学水平已经很不适应，于是天文学家李淳风(602～670年)创制了新仪，名为浑天黄道仪，当时黄道浑仪实际已经失传多年了。
李淳风的浑仪于贞观七年(633年)制成，仪器包括三重，外重名为六合仪，内重名为四游仪，与孔挺的浑仪没有什么不同，中重名为三辰仪，是李淳风对贾逵黄道仪的改进，他接受了贾逵的赤道环和黄道环，同时又增加了月道环，这是以前的浑仪中所没有的。三辰仪中的赤道和黄道两环结合在一起，只要利用四游仪将赤道环上所刻的二十八宿距度与天上二十八宿的赤道位置对准，便可校准黄道环与天球黄道的位置。这种设计解决了自汉代以来黄道浑仪所遇到的困难，并且可以直接读出天体的人宿度。李淳风创制的浑仪复杂精密，对后世的浑仪制造产生了极大影响。但是，这样多的环层层套叠，带来的好处其实并不很多，其中最重要的就是太多的环增大了遮掩的天区，为观测制造了许多盲点，影响了仪器的使用。北宋时沈括已注意到这一点，他取消了白道环，使月亮的位置以计算的办法求得。这虽然表现出某种简化浑仪的思想，但是这一工作在宋代却没有什么进展。
元代郭守敬制造的简仪是一个划时代的创造，它把浑仪的简化彻底完成了。为了修定《授时历》，郭守敬自1276年以后设计制造了许多天文仪器，简仪只是其中的一件。郭守敬针对浑仪的缺，点，摒弃了将测量三种不同坐标的圆环集中安排的做法，把它分解为两个独立的体系，即赤道经纬仪和地平经纬仪。赤道经纬仪只保存了浑仪的四游环、赤道环得百刻环，而且把套装着赤道环的百刻环移到四游环的南端，从而使四游环的上方几乎没有任何障碍遮挡视线。地平经纬仪应该是一个新的创造，它能同时测量方位和地平高度。在地平环的中央，郭守敬安装了一个垂直的立运环，立运环可以绕轴旋转，具有与四游环相似的性质，这显然把过去浑仪中虚设的地平环变得实用了。简仪的结构尽管简单，但精度却比浑仪大有提高。郭守敬把浑仪上的窥管改为窥衡，观测星象时只需将天体和窥衡上的细线中点连成一线，与今天利用十字丝瞄准定位的道理相同；简仪的刻度采用十进制，一度分为十格，并利用测微装置读出百分之一度；简仪在重叠的百刻环和赤道环之间，装有四个圆柱体，减小了赤道环旋转时的摩擦阻力。郭守敬渊博的数理，天文知识和机械知识，在简仪的设计与制造中得到了淋漓尽致的发挥。
郭守敬的简仪在清康熙五十四年(1715年)被传教士纪理安充作废铜焚毁了，并用它重新铸造了地平经纬仪，因此我们现在只能看到明代的仿制品。
当时明成祖迁都北京，而这座古城原有的天文仪器因在元亡之后运往南京，已经没有什么可供观测的工具了，这使英宗于正统二年(1437年)决定，命钦天监官员到南京依元代旧仪的原样仿制木模，在北京铸造，然后于正统七年安装在北京的观象台上。
仿制的简仪后来与明制浑仪、浑象和铜圭表成为纪理安废毁元明旧器后幸存的四件古器。
由于日光的强烈，浑仪显然是不能直接测量太阳位置的，郭守敬创造的仰仪则解决了这一问题。
仰仪的结构很像一口平放的锅，安装在南北方向，半球内壁画有赤道坐标和十二方位，锅的中心装有一块中央设孔的方板，并通过小孔使太阳成像于内侧，从而，达到测量太阳位置的目的，同时还可以方便地进行日食观测。
浑天说的影响不仅导致了浑仪的产生，而且导致了另一类演示天象的仪器——浑象的产生。大约在西汉宣帝时期，耿寿昌根据落下闳制造的浑仪创制了浑象，当时的人也把它叫作浑天仪，它是在一个大圆球的表面布列两极、赤道和星象，并且使大球的旋转与星象的移动同步，以此来表演天象的变化。公元2世纪，张衡制造出一具水运浑天仪，并把它安装在密室之中，用漏壶的流水推动它转动，然后由两个观测者分别在密室中和观象台上，把浑象所示的星象位置与天上的实际星象进行比较，结果一切都准确地相符。张衡的水运浑象对后来同类仪器的制造影响很大，自他之后，浑象大都采用以漏壶流水、通过齿轮系统带动浑象均匀旋转的办法，因为在当时恐怕不可能找到比这更稳定的动力。然而在浑象的设计方面，张衡的方案却不是唯一的。传统的浑象是在天球表面布列星象，这就如同人到天外去看天球，显然有失真实。北宋的苏颂和韩公廉等人打破常规，设计制造了一具假天象仪。仪器为一个中空的大球，直径超过人的身长，球壳上以洞孔代表恒星，外面的光线透进来仿佛一颗颗亮星，观测者坐在天球里面的悬吊椅上，随着水运浑象的旋转，就会看到星辰的变化，宛若真实夜空，与今天我们在天文馆中看到的景象十分相似。