Varhaisin tunnettu esimerkki kellokoneistosta on Antikytheran mekanismi, joka on kreikkalaisesta haaksirikosta löydetty ensimmäisen vuosisadan eaa. hammaspyöräinen analoginen tietokone, joka muistutti jonkin verran astrolautaa ja jonka avulla voitiin laskea tähtitieteellisiä asentoja ja pimennyksiä. Muinaisessa Kreikassa, jopa sen mytologiassa, on monia muitakin kertomuksia kellokoneistoista, ja mekanismi itsessään on riittävän kehittynyt osoittaakseen, että sen luomiseen oli edeltänyt merkittävä vähemmän kehittyneiden laitteiden historia.
Jossain vaiheessa tämä kellokoneiston tekniikan kehittyneisyys katosi tai unohtui Euroopassa, ja se palasi takaisin vasta, kun se tuotiin islamilaisesta maailmasta ristiretkien jälkeen yhdessä muun renessanssiin johtaneen tietämyksen kanssa. Kellotekniikka sai vihdoin takaisin roomalaisuutta edeltävää teknologiatasoa vastaavan tason 1300-luvulla.
Kreikkalaisen mytologian tapaan myös muiden kulttuurien legendoissa on kunnianhimoisia automaatioväitteitä. Esimerkiksi juutalaisessa legendassa Salomo käytti viisauttaan suunnitellakseen valtaistuimen, jossa oli mekaanisia eläimiä, jotka tervehtivät häntä kuninkaana, kun hän nousi sille; istuuduttuaan kotka asetti kruunun hänen päähänsä, ja kyyhkynen toi hänelle Tooran käärön. Sanotaan myös, että kun kuningas Salomo astui valtaistuimelle, mekanismi lähti liikkeelle. Heti kun hän astui ensimmäiselle askelmalle, kultainen härkä ja kultainen leijona ojensivat kumpikin yhden jalkansa tukeakseen häntä ja auttaakseen häntä nousemaan seuraavalle askelmalle. Kummallakin puolella eläimet auttoivat kuningasta ylöspäin, kunnes hän istui mukavasti valtaistuimellaan.
Muinaisessa Kiinassa kummallinen kertomus automatisoinnista löytyy Lie Zi -tekstistä, joka on kirjoitettu 3. vuosisadalla eaa. Sen sisällä on kuvaus paljon varhaisemmasta kohtaamisesta Zhoun kuningas Mu:n (1023-957 eaa.) ja Yan Shi -nimisen koneinsinöörin, ”artificer”, välillä. Jälkimmäinen esitteli kuninkaalle ylpeänä mekaanisen käsityönsä (Wade-Gilesin kirjoitusasu) elävänkokoisen, ihmisen muotoisen hahmon:
Kuningas tuijotti hahmoa hämmästyneenä. Se käveli nopein askelin ja liikutti päätään ylös ja alas, niin että kuka tahansa olisi pitänyt sitä elävänä ihmisenä. Käsityöläinen kosketti sen leukaa, ja se alkoi laulaa, täydellisesti sävelessä. Kun esitys oli päättymässä, robotti räpäytti silmiään ja lähenteli paikalla olleita naisia, jolloin kuningas raivostui ja olisi teloittanut Yen Shihin heti paikalla, ellei tämä olisi kuolemanpelossaan heti repinyt robottia palasiksi, jotta hän olisi nähnyt, mikä se todella oli. Ja todellakin, se osoittautui vain nahasta, puusta, liimasta ja lakasta koostuvaksi rakennelmaksi, jonka värit vaihtelivat valkoisen, mustan, punaisen ja sinisen välillä. Kun kuningas tutki sitä tarkkaan, hän löysi kaikki sisäelimet täydellisinä – maksan, sapen, sydämen, keuhkot, pernan, munuaiset, vatsan ja suolet; ja näiden päälle taas lihakset, luut ja raajat nivelineen, iho, hampaat ja hiukset, kaikki keinotekoisia… Kuningas kokeili sydämen pois ottamisen vaikutusta ja huomasi, että suu ei enää pystynyt puhumaan; hän otti pois maksan, eivätkä silmät enää nähneet; hän otti pois munuaiset, ja jalat menettivät liikkumiskykynsä. Kuningas oli haltioissaan.
Muita merkittäviä esimerkkejä ovat Aulus Gelliuksen mainitsema Archytaksen kyyhkynen. Samankaltaisia kiinalaisia kertomuksia lentävistä automaateista on kirjoitettu 5. vuosisadalla eaa. mohilaisesta filosofi Mozista ja hänen aikalaisestaan Lu Banista, jotka tekivät Han Fei Zin ja muiden tekstien mukaan keinotekoisia puulintuja (ma yuan), jotka pystyivät menestyksekkäästi lentämään.
Euroopassa käytettiin 1100-luvulle tultaessa kellokoneistoja sekä aikakoneisiin että tähtitieteellisten tapahtumien seuraamiseen. Kellot eivät pitäneet aikaa kovin tarkasti nykyajan mittapuulla, mutta tähtitieteellisiä laitteita käytettiin huolellisesti planeettojen asemien ja muiden liikkeiden ennustamiseen. Sama aikajana näyttää pätevän myös Euroopassa, jossa kelloissa käytettiin tuohon aikaan jo mekaanisia kutuvaelluksia.
Viidennelle vuosisadalle asti kellokoneistoja pyöritettiin vedellä, painoilla tai muilla pyöreillä, suhteellisen alkeellisilla keinoilla, mutta vuonna 1430 Burgundin herttualle Filip Hyvälle esiteltiin kello, jota pyöritettiin jousella. Tästä tuli vakiotekniikka painokäyttöisten kellojen rinnalla. 1500-luvun puolivälissä Christiaan Huygens käytti Galileo Galilein ideaa ja kehitti siitä ensimmäisen modernin heilurimekanismin. Siinä missä jousi tai paino tarjosi liikkeellepanovoiman, heiluri kuitenkin vain ohjasi tämän voiman vapautumisnopeutta jonkin pakomekanismin (escapement) avulla säädetyllä nopeudella.
Smithsonian Institutionin kokoelmissa on noin 380 mm (15 tuumaa) korkea kellokoneistomunkki, joka on mahdollisesti peräisin jo vuodelta 1560. Munkki liikkuu avainkierretyllä jousella ja kulkee neliön polkua lyöden oikealla kädellään rintaansa samalla kun hän nostaa ja laskee pienen puisen ristin ja rukousnauhan vasemmassa kädessään, kääntelee ja nyökyttelee päätään, pyörittää silmiään ja lausuu hiljaisia kuolinhetkiä. Ajoittain hän nostaa ristin huulilleen ja suutelee sitä. Uskotaan, että munkin on valmistanut Juanelo Turriano, Pyhän Rooman keisarin Kaarle V:n mekaanikko.