Il funzionamento dell'orologio solare dipende dal movimento apparente del Sole. È costituito da uno gnomone o stilo che proietta l'ombra solare su una superficie solcata dal tracciato delle linee orarie. Queste linee cambiano a seconda del tipo di orologio (declinante, verticale, orizzontale, ecc.) e a seconda della latitudine per la quale l'orologio stesso è tarato. L'orologio poteva assumere varie forme: a colonna, a cilindro, poliedrico, a libro, a tazza, equinoziale (quando lo gnomone è parallelo all'asse terrestre e l'orologio è parallelo al piano dell'equatore), ecc. Poteva anche essere tarato per latitudini diverse (orologio universale). Per leggere correttamente l'ora, l'orologio doveva essere orientato a nord, operazione che veniva compiuta con una bussola.

Orologio solare costruito mediante il tracciamento della linea meridiana generata dall'intersezione del piano verticale del circolo meridiano con quello dell'orizzonte (meridiana orizzontale) o con il piano del quadrante (meridiana verticale). La linea meridiana indica la direzione nord-sud. Fin dai tempi più antichi veniva tracciata seguendo la direzione dell'ombra più breve proiettata da uno gnomone verticale nell'arco della giornata.

Orologio solare ad armille (anelli). Il raggio del Sole indica l'ora passando attraverso un foro praticato in una delle armille e colpendo l'interno opposto della stessa armilla dove si trova il tracciato delle linee orarie. Le armille indicano i principali circoli della sfera celeste: il meridiano, l'equatore e il coluro solstiziale. Munito di scala delle ombre, l'annulo può anche essere usato per la misurazione delle distanze. La varietà delle sue funzioni è illustrata nella raccolta di scritti di vari autori (tra i quali Regiomontano, Reiner Gemma Frisius e Oronce Finé) data alle stampe a Parigi da Gulielmum Cavellat nel 1557 col titolo Annuli astronomici... usus.

Detto anche a "scaphea", questo strumento è uno dei più antichi modelli di orologio solare, la cui origine si fa risalire ai Babilonesi. È costruito riportando in proiezione gnomonica le divisioni orarie del circolo equatoriale su una superficie concava emisferica che rappresenta il rovescio della sfera celeste, il cui centro è rappresentato dalla punta dello gnomone orizzontale.

In uso nell'Occidente cristiano fin dal X secolo, questo orologio presenta le linee orarie tracciate sulla superficie di un cilindro verticale. Lo gnomone orizzontale è fissato alla testa girevole del cilindro in modo da poter essere posizionato sulla data corrispondente al momento in cui si effettua la lettura del tempo.

È il più diffuso tipo di orologio solare, grazie al fatto che può indicare l'ora in qualsiasi momento del giorno. È costruito riportando in proiezione gnomonica le divisioni orarie del circolo equatoriale su un piano orizzontale. Lo gnomone è infisso nel piano dell'orologio secondo la direzione dell'asse celeste e la sua punta indica il centro della sfera celeste. Le linee orarie sono segnate sul quadrante come linee rette convergenti in un punto che rappresenta la proiezione dei poli celesti, e sono attraversate dalla linea equinoziale (proiezione del circolo equinoziale) e dalle curve di declinazione (proiezioni dei circoli paralleli compresi tra il Tropico del Cancro e il Tropico del Capricorno). La linea meridiana divide simmetricamente le linee orarie tagliando ortogonalmente l'equinoziale.

Questo tipo di orologio solare è detto anche "polare", poiché il suo piano è orientato in direzione dei poli celesti. È costruito riportando in proiezione gnomonica le divisioni orarie del circolo equatoriale su un piano parallelo all'asse celeste. Lo gnomone è formato da una lastra verticale, infissa sulla linea meridiana, la cui sommità rappresenta l'asse celeste. A differenza degli altri orologi solari, questo tipo presenta le linee orarie tutte parallele. Si dice universale perché può essere usato a qualsiasi latitudine.

Generalmente collocato sulle facciate degli edifici, questo tipo di orologio solare è costruito riportando in proiezione gnomonica le divisioni orarie del circolo equatoriale su un piano verticale. Lo gnomone è infisso sul piano dell'orologio secondo la direzione dell'asse celeste e la sua punta indica il centro della sfera celeste. L'orologio si dice "retto", se il piano verticale è orientato direttamente verso uno dei punti cardinali, o "declinante", se il piano presenta qualsiasi altra orientazione.

Orologio solare formato da un disco parallelo all'equatore celeste su cui sono tracciate le linee orarie secondo le divisioni del circolo equatoriale. Al centro del disco è infisso ortogonalmente uno gnomone secondo la direzione dell'asse celeste.

Orologio solare che sfrutta le leggi di rifrazione dei raggi luminosi. È formato generalmente da una vasca o tazza emisferica riempita d'acqua. Le linee orarie sono tracciate sul fondo della vasca tenendo conto ovviamente degli angoli di rifrazione del raggio solare che proietta l'ombra dello gnomone. Una variante di questo orologio prevede, in luogo dell'acqua, un globo di cristallo il cui centro coincide con la punta dello gnomone; l'ora è indicata dal punto luminoso formato dalla concentrazione dei raggi solari. Questo tipo di orologi, comprese numerose altre varianti, è descritto da Athanasius Kircher (1602-1680) nell'Ars magna lucis et umbrae (Roma, 1646), nel contesto della cosiddetta "Gnomonica anaclastica".

Orologio solare che sfrutta le leggi di riflessione dei raggi luminosi. L'orologio può essere orizzontale, verticale, polare, equinoziale o emisferico; il tracciato delle linee orarie, che risulta capovolto rispetto a quello dei più comuni orologi solari, tiene conto degli angoli di riflessione dei raggi solari deviati dalla superficie di uno specchietto posto in luogo dello stilo gnomonico. Una variante di questo strumento è il cosiddetto orologio anacamptico-anaclastico, che prevede anche lo sfruttamento delle leggi di rifrazione; si tratta di un emisfero concavo riempito d'acqua dove le ore sono segnate su due tracciati orari contrapposti che ricevono sia dall'ombra dello specchietto che il raggio riflesso. L'orologio anacamptico, con le sue numerose varianti, è descritto da Athanasius Kircher nell'Ars magna lucis et umbrae (Roma, 1646), nel contesto della cosiddetta "Gnomonica anacamptica".