Het vroegst bekende voorbeeld van een uurwerk is het Antikythera mechanisme, een op een astrolabium gelijkende computer met tandwieloverbrenging uit de eerste eeuw v. Chr. voor het berekenen van astronomische posities en verduisteringen, die uit een Grieks scheepswrak is geborgen. Er zijn vele andere vermeldingen van uurwerken in het oude Griekenland, zelfs in de Griekse mythologie, en het mechanisme zelf is geavanceerd genoeg om te wijzen op een aanzienlijke geschiedenis van mindere apparaten die tot de schepping ervan hebben geleid.
Op een gegeven moment is dit niveau van verfijning in de uurwerktechnologie in Europa verloren gegaan of vergeten, en pas teruggekeerd toen het na de kruistochten vanuit de islamitische wereld werd meegebracht, samen met andere kennis die tot de Renaissance heeft geleid. Het uurwerk bereikte in de 14e eeuw eindelijk weer het equivalent van de pre-Romeinse technologische niveaus.
Zoals in de Griekse mythologie, zijn er ambitieuze automatiseringsclaims in de legenden van andere culturen. In de Joodse legende bijvoorbeeld gebruikte Salomo zijn wijsheid om een troon te ontwerpen met mechanische dieren die hem als koning begroetten als hij erop ging zitten; een adelaar plaatste een kroon op zijn hoofd en een duif bracht hem een Torarol. Er wordt ook gezegd dat toen Koning Salomo op de troon stapte, er een mechanisme in werking werd gezet. Zodra hij op de eerste trede stapte, strekten een gouden os en een gouden leeuw elk een voet uit om hem te ondersteunen en hem te helpen op de volgende trede te komen. Aan elke kant hielpen de dieren de koning omhoog totdat hij comfortabel op zijn troon zat.
In het oude China is een merkwaardig verslag van automatisering te vinden in de Lie Zi tekst, geschreven in de 3e eeuw voor Christus. Daarin staat een beschrijving van een veel vroegere ontmoeting tussen koning Mu van Zhou (1023-957 v. Chr.) en een mechanisch ingenieur, Yan Shi genaamd, een “kunstnijveraar”. Deze laatste presenteerde de koning trots een levensgrote, mensvormige figuur van zijn mechanische handwerk (Wade-Giles spelling):
De koning staarde verbaasd naar de figuur. Het liep met snelle passen en bewoog zijn hoofd op en neer, zodat iedereen het voor een levend mens zou hebben aangezien. De ambachtsman raakte de kin aan, en het begon te zingen, perfect op de maat. Toen de voorstelling ten einde liep, knipperde de robot met zijn ogen en maakte avances naar de aanwezige dames, waarop de koning woedend werd en Yen Shih ter plekke zou hebben laten executeren, ware het niet dat deze uit doodsangst onmiddellijk de robot uit elkaar haalde om hem te laten zien wat het werkelijk was. En inderdaad, het bleek slechts een constructie te zijn van leer, hout, lijm en lak, in verschillende kleuren wit, zwart, rood en blauw. Toen hij het nauwkeurig bekeek, ontdekte de koning dat alle inwendige organen compleet waren: lever, gal, hart, longen, milt, nieren, maag en darmen; en daar weer overheen spieren, botten en ledematen met hun gewrichten, huid, tanden en haar, allemaal kunstmatig… De koning probeerde het effect van het wegnemen van het hart, en ontdekte dat de mond niet meer kon spreken; hij nam de lever weg en de ogen konden niet meer zien; hij nam de nieren weg en de benen verloren hun kracht om te lopen. De koning was verrukt.
Andere opmerkelijke voorbeelden zijn de duif van Archytas, genoemd door Aulus Gellius. Vergelijkbare Chinese verslagen van vliegende automaten zijn geschreven over de Mohistische filosoof Mozi uit de 5e eeuw v. Chr. en zijn tijdgenoot Lu Ban, die kunstmatige houten vogels (ma yuan) maakten die met succes konden vliegen, volgens de Han Fei Zi en andere teksten.
Tegen de 11e eeuw werd in Europa uurwerk gebruikt, zowel voor uurwerken als om astronomische gebeurtenissen bij te houden. De klokken hielden naar moderne maatstaven niet erg nauwkeurig de tijd bij, maar de astronomische apparaten werden zorgvuldig gebruikt om de posities van planeten en andere bewegingen te voorspellen. Dezelfde tijdlijn lijkt te gelden in Europa, waar tegen die tijd mechanische echappementen in klokken werden gebruikt.
Tot in de 15e eeuw werd het uurwerk aangedreven door water, gewichten of andere ronddraaiende, betrekkelijk primitieve middelen, maar in 1430 werd aan Filips de Goede, hertog van Bourgondië, een klok gepresenteerd die werd aangedreven door een veer. Dit werd een standaardtechniek, samen met door gewichten aangedreven uurwerken. In het midden van de 16e eeuw nam Christiaan Huygens een idee van Galileo Galilei over en ontwikkelde het tot het eerste moderne slingermechanisme. Maar terwijl de veer of het gewicht de aandrijfkracht leverden, regelde de slinger slechts de snelheid waarmee die kracht vrijkwam via een ontsnappingsmechanisme (een echappement) met een gereguleerde snelheid.
The Smithsonian Institution heeft in zijn collectie een klokkenwerk monnik, ongeveer 15 in (380 mm) hoog, mogelijk daterend van zo vroeg als 1560. De monnik wordt aangedreven door een veer die met een sleutel is gewonden en loopt over het pad van een vierkant, terwijl hij met zijn rechterarm op zijn borst slaat, terwijl hij in zijn linkerhand een klein houten kruis en een rozenkrans opheft en laat zakken, zijn hoofd draait en knikt, met zijn ogen rolt, en stille rouwbeklag uitspreekt. Van tijd tot tijd brengt hij het kruis naar zijn lippen en kust het. Aangenomen wordt dat de monnik is vervaardigd door Juanelo Turriano, werktuigkundige van de Heilige Roomse keizer Karel V.