中世ヨーロッパでの時計の意義は主に宗教目的で、神に祈りを捧げる時を知るためのものであった。しかし大航海時代に入り、天測および計時によって現在位置の経度を知るためには、揺れる船内に長時間放置してもくるわない正確な時計（クロノメーター）が必要となった。時刻にして1分の誤差は経度にして15分（1/4度、赤道上で28km）もの誤差となり、時計の狂いが遭難や座礁につながるという事故が多発したためである。1713年イギリス政府は「5ヶ月間の航海で誤差は1分以内」という懸賞条件に2万ポンドの賞金をかけ、1736年ジョン・ハリソンが見合う時計を完成させた。しかしハリソンが単なる大工だったためか、イギリス議会はいろいろと難癖を付けて賞金を払わず、40年に渡って改良を重ねさせた。ハリソンはジョージ3世の取りなしがあって、ようやく賞金を手に入れられたが、それは彼の死の3年前であった。
時計制作の歴史に革命を起こしたのが天才時計師として名高いアブラアン・ルイ・ブレゲであり、彼によって時計の進歩は200年早まったとされる。ブレゲはフランスを中心に時計制作を行い、トゥールビヨン、永久カレンダー、ミニッツ・リピーターなど、現代の機械式時計にも用いられている画期的な発明を数多く行った。ブレゲの顧客にはフランス国王ルイ16世、ナポレオン・ボナパルト、イギリス国王ジョージ3世、ロシア皇帝アレクサンドル1世などがおり、当時の最高権力者たちはこぞって彼に時計制作を依頼していた。
ブレゲがその生涯に制作した時計は約3,800個といわれ、数々の傑作を生み出したが、そのなかでも最高傑作として名高い逸品が、王妃マリー・アントワネットの注文に応じて制作された懐中時計「マリー・アントワネット」である。永久カレンダー、ミニッツ・リピーター、自動巻き、独立した秒針などを懐中時計サイズで実現するためにブレゲは持てる技術の全てをつぎ込んだが、王妃が断頭台にて非業の死を遂げたため、ついに完成品は王妃の手に渡ることはなかった。その後「マリー・アントワネット」は数々のコレクターの手を経た後、エルサレムのL・A・メイヤー記念イスラム美術館に所蔵されていたが1983年4月16日に盗難され、2006年8月に発見された。しかし、真贋は未だ不明で、現在ニコラス・G・ハイエック社長指揮のもと、美術館に調査チームを送って目下調査中である。
その後、機械式時計は精度や携帯性を求めて様々な改良が施された。また、この17?19世紀初頭は、職人の徒弟チームによる手工芸的な少量生産から、いかに大量生産で高精度の時計を作れるか・定期的な保守を誰でもできるかという要求により改良がなされていった時代である。ぜんまい動力の掛かる駆動部の歯車はなるべく均一な力がかかるように歯車の歯数を互いに割り切れないようにする工夫もなされた。気温によって振り子の長さやひげゼンマイの弾性が変化することも精度に影響するため、20世紀初頭に熱膨張率の小さなインバー合金、温度によって弾性率の変化が小さなエリンバー合金が発明され、大きな貢献を与えた。各種あった脱進機も、現在のアンクル脱進機にほぼ絞り込まれていった。
20世紀後半動力として電動機が使われるようになった。従来の機械式時計に対し脱進機にトランジスタを使ったトランジスタ時計、調速機にRC発振回路を使った時計、音叉を使った音叉時計などが開発されたが、水晶振動子を使ったクォーツ時計、セシウム原子の振動を利用した原子時計等の高精度な時計の出現によりほとんど姿を消した。
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クォーツ時計は廉価で小型化が可能で、一ヶ月の誤差が15秒ほどと実用上十分の精度があるため現在でも一般的に使われている。一方原子時計は2000万年に1秒くらいの狂いという高精度を持つものの、21世紀初頭の段階では廉価・小型化が難しい。そこで、原子時計による時報を適当な頻度で電波によって受信し、クォーツ時計の時刻を自動修正する電波時計も利用されている。またこれ以上に正確な時刻を知る必要がある（科学技術用途など）場合、GPSにより10億分の1秒オーダの正確な時刻が地球上どこでも容易に得られるようになったことも特筆に値する。
クォーツ時計が一般化する前の電気式時計では、アナログ式では電源周波数に同期して回転するサーボモータを使ったり、デジタル式では電源周波数より1秒毎のパルスを得て駆動していた（後者は現在でもビデオテープレコーダなどのタイマー予約用時計に使われることがある）。このため商用電源（日本では50/60Hz）は長時間で誤差が累積されないように進み遅れの制御がなされている。
一方機械式時計の新しい発明として20世紀末には、オメガによる#コーアクシャル脱進機が提案されている。これはアンクル脱進機以来の発明といわれている。また、セイコーによる#スプリングドライブの発明は、機械式時計と電子式時計の融合として興味深い。