Das früheste bekannte Beispiel für ein Uhrwerk ist der Mechanismus von Antikythera, ein analoger Computer aus dem ersten Jahrhundert v. Chr., der eine Art Astrolabium zur Berechnung von astronomischen Positionen und Finsternissen darstellt und aus einem griechischen Schiffswrack geborgen wurde. Es gibt viele andere Berichte über Uhrwerke im antiken Griechenland, sogar in der griechischen Mythologie, und der Mechanismus selbst ist ausgeklügelt genug, um auf eine bedeutende Geschichte kleinerer Geräte hinzuweisen, die zu seiner Erschaffung führte.
Irgendwann ging dieser Grad an Raffinesse in der Uhrentechnik in Europa verloren oder wurde vergessen und kehrte erst wieder zurück, als er nach den Kreuzzügen zusammen mit anderen Kenntnissen, die zur Renaissance führten, aus der islamischen Welt gebracht wurde. Im 14. Jahrhundert erreichte das Uhrwerk schließlich wieder den vorrömischen Stand der Technik.
Wie in der griechischen Mythologie gibt es auch in den Legenden anderer Kulturen ehrgeizige Automatisierungsansprüche. In der jüdischen Legende zum Beispiel nutzte Salomon seine Weisheit, um einen Thron mit mechanischen Tieren zu entwerfen, die ihn als König begrüßten, wenn er ihn bestieg; wenn er sich setzte, setzte ihm ein Adler eine Krone auf den Kopf, und eine Taube brachte ihm eine Thorarolle. Es heißt auch, dass ein Mechanismus in Gang gesetzt wurde, als König Salomo den Thron bestieg. Sobald er die erste Stufe betrat, streckten ein goldener Ochse und ein goldener Löwe jeweils einen Fuß aus, um ihn zu stützen und ihm zu helfen, die nächste Stufe zu erreichen. Auf jeder Seite halfen die Tiere dem König nach oben, bis er bequem auf seinem Thron saß.
Im alten China findet sich im Lie Zi-Text, der im 3. Jahrhundert v. Chr. geschrieben wurde, eine merkwürdige Beschreibung der Automatisierung. Darin wird eine viel frühere Begegnung zwischen König Mu von Zhou (1023-957 v. Chr.) und einem Maschinenbauingenieur namens Yan Shi, einem „Handwerker“, beschrieben. Letzterer präsentierte dem König stolz eine lebensgroße, menschenförmige Figur seiner mechanischen Handarbeit (Wade-Giles-Schreibweise):
Der König starrte die Figur voller Erstaunen an. Sie ging mit schnellen Schritten und bewegte den Kopf auf und ab, so dass man sie für einen lebenden Menschen hätte halten können. Der Kunsthandwerker berührte ihr Kinn, und sie begann zu singen, ganz im Einklang mit ihm. Er berührte seine Hand, und er begann zu posieren, wobei er den Takt perfekt einhielt… Als sich die Vorstellung dem Ende zuneigte, zwinkerte der Roboter mit den Augen und machte den anwesenden Damen Avancen, woraufhin der König in Rage geriet und Yen Shih auf der Stelle hätte hinrichten lassen, wenn dieser nicht in Todesangst den Roboter sofort in Stücke gerissen hätte, damit er sehen konnte, was er wirklich war. Und tatsächlich stellte sich heraus, dass es sich nur um eine Konstruktion aus Leder, Holz, Leim und Lack handelte, die weiß, schwarz, rot und blau gefärbt war. Als der König es genau untersuchte, fand er alle inneren Organe vollständig – Leber, Galle, Herz, Lunge, Milz, Nieren, Magen und Eingeweide; und darüber wiederum Muskeln, Knochen und Gliedmaßen mit ihren Gelenken, Haut, Zähnen und Haaren, alles künstlich … Der König probierte aus, wie es sich auswirkte, wenn er das Herz entfernte, und stellte fest, dass der Mund nicht mehr sprechen konnte; er entfernte die Leber, und die Augen konnten nicht mehr sehen; er entfernte die Nieren, und die Beine verloren ihre Fortbewegungsfähigkeit. Der König war entzückt.
Weitere bemerkenswerte Beispiele sind die von Aulus Gellius erwähnte Taube des Archytas. Ähnliche chinesische Berichte über fliegende Automaten stammen von dem mohistischen Philosophen Mozi aus dem 5. Jahrhundert v. Chr. und seinem Zeitgenossen Lu Ban, der künstliche Holzvögel (ma yuan) herstellte, die laut Han Fei Zi und anderen Texten erfolgreich fliegen konnten.
Bis zum 11. Jahrhundert wurde das Uhrwerk in Europa sowohl für Zeitmesser als auch zur Verfolgung astronomischer Ereignisse verwendet. Die Uhren hielten die Zeit nach modernen Maßstäben nicht sehr genau ein, aber die astronomischen Geräte wurden sorgfältig eingesetzt, um die Positionen der Planeten und andere Bewegungen vorherzusagen. Bis zum 15. Jahrhundert wurde das Uhrwerk durch Wasser, Gewichte oder andere umständliche, relativ primitive Mittel angetrieben, aber 1430 wurde Philipp dem Guten, Herzog von Burgund, eine Uhr präsentiert, die durch eine Feder angetrieben wurde. Diese Technik wurde zusammen mit den gewichtsgetriebenen Uhrwerken zum Standard. Mitte des 16. Jahrhunderts übernahm Christiaan Huygens eine Idee von Galileo Galilei und entwickelte sie zum ersten modernen Pendelmechanismus. Während jedoch die Feder oder das Gewicht die Antriebskraft lieferten, kontrollierte das Pendel lediglich die Freisetzung dieser Kraft über einen Hemmungsmechanismus (eine Hemmung) in einem geregelten Rhythmus.
Die Smithsonian Institution besitzt in ihrer Sammlung einen etwa 380 mm hohen Uhrwerksmönch, der möglicherweise aus dem Jahr 1560 stammt. Der Mönch wird von einer Feder mit Schlüsselaufzug angetrieben und geht den Weg eines Quadrats, wobei er sich mit dem rechten Arm auf die Brust schlägt, während er in der linken Hand ein kleines Holzkreuz und einen Rosenkranz hebt und senkt, sich dreht und mit dem Kopf nickt, mit den Augen rollt und stumme Totengebete spricht. Von Zeit zu Zeit führt er das Kreuz an seine Lippen und küsst es. Es wird angenommen, dass der Mönch von Juanelo Turriano, dem Mechaniker des Heiligen Römischen Kaisers Karl V., hergestellt wurde.