Một chiếc đồng hồ mặt trời hoạt động bằng cách sử dụng một miếng kim loại nhô cao, được gọi là gnomon, nằm ở giữa mặt số được đánh dấu. Gnomon đổ bóng khi được mặt trời chiếu sáng và thời gian trong ngày được xác định bởi vị trí bóng đổ trên mặt số.
Để đồng hồ mặt trời hoạt động bình thường, gnomon cần phải được căn chỉnh với Bắc Cực. Một cách để thực hiện điều này là sử dụng Sao Bắc Cực làm vật dẫn đường. Đồng hồ mặt trời cũng có thể cần được căn chỉnh khác nhau tùy thuộc vào vĩ độ để tính đến các góc khác nhau của mặt trời trên bầu trời.
Đồng hồ mặt trời thường được sử dụng ngay cả sau khi đồng hồ cơ được phát minh. Những chiếc đồng hồ cơ học ban đầu cần phải được đặt lại và đồng hồ mặt trời đã được sử dụng để đặt đồng hồ về thời gian chính xác. Những chiếc đồng hồ mặt trời đầu tiên sử dụng các giờ có độ dài bằng nhau được người Hồi giáo phát minh trong thời Trung cổ và chúng được sử dụng để đánh dấu những giờ cầu nguyện cụ thể. Trước đồng hồ mặt trời này hiển thị giờ theo mùa, có độ dài thay đổi tùy theo thời điểm trong năm.
Đồng hồ mặt trời cũng được sử dụng để theo dõi các mùa trong năm. Người Hy Lạp cổ đại sử dụng đồng hồ mặt trời được gọi là bán cầu có một gnomon bên trong một chiếc cung rỗng. Kích thước của bóng bên trong hình bán cầu đã giúp máy chấm công xác định chính xác thời gian trong năm.
