在漢代以前，我國的宇宙理論，大體分為三種，分別是蓋天說、宣夜說和渾天說。在這三種學說中，渾天說在我國古代一直占據著主要地位，被認為是正統的官方學說。從漢代開始以後的千余年中長期廣泛流行，支配著歷代的天文觀測和歷法的指定。渾天說認為地在天之中，天似蛋殼、地似蛋黃，日月星辰附著在天殼之上，隨天周日旋轉。為了演說渾像並觀測天體方位，西漢耿壽昌發明了渾天儀。東漢中期，張衡在前人制作的基礎上，大膽創新，於公元117年設計並制造了完整的演示渾天說思想的漏水轉渾天儀。
漏水轉渾天儀的主體是一個球體模型代表天球。球裡面有一根鐵軸貫穿球心，軸的方向就是天球的方向，也是地球自轉軸的方向。軸和球有兩個交點，一個是北極（北天極），一個是南極（南天極）。北極高出地平面成36度角，這正是當時東漢首都洛陽的地理緯度。在球的外表面上刻有二十八星宿和其它恆星。在球面上還有地平圈和子午圈，天球半露在地平圈之上，半隱在地平圈之上。另外還有黃道圈和赤道圈，互成24度的交角。在赤道和黃道上，各列有二十四節氣，並從冬至點起，刻分成三百六十五又四分之一度，每度又分四格，太陽每天在黃道上移動一度。
為了讓渾天儀能自己轉動，張衡采用齒輪系統把渾像和記時用的漏壺聯系起來，用漏壺滴出來的水的力量帶動齒輪，齒輪帶動渾像繞軸旋轉，一天一周，與天球同步轉動。這樣，就可以准確地把天像的變化表示出來，人在屋子裡看著儀器，就可以知道某星正從東方升起，某星已到中天，某星就要從西方落下。
漏水轉渾天儀是有明確歷史記載的世界上第一架用水力發動的天文儀器。在渾天儀中應用到的齒輪機構和凸輪機構十分復雜，這中間的轉動如果不使用逐漸減速的齒輪系統，很難作到。遠在一千八百多年前的時候，中國古人就可以造出這樣復雜的儀器是很值得自豪的。可惜的是，這套復雜的傳動系統因為年代久遠沒有能夠流傳下來。