La meridiana è uno strumento di antica origine formato da uno stilo infisso su un quadrante di varia forma e inclinazione. Il suo funzionamento si basa sull'osservazione dell'ombra prodotta dallo stilo, associata all'idea che il Sole scandisca il tempo ruotando apparentemente in maniera uniforme attorno alla Terra.

La meridiana del Museo Galileo è composta da un quadrante tracciato sul pavimento e da una grande stele di bronzo che funge da stilo gnomonico.

La meridiana è stata costruita nel 2007 su disegno di Luise Schnabel e Filippo Camerota, col contributo di Ente Cassa di Risparmio di Firenze. Nel 2015 è stata restaurata grazie al generoso sostegno di Officine Panerai.

Tre curve indicano i tracciati giornalieri dell'estremità dell'ombra in determinati giorni dell'anno.

La più lontana dallo stilo segna il solstizio invernale, quando il Sole si muove alla minima altezza sull'orizzonte.

La curva intermedia indica il tracciato all'equinozio di primavera e all'equinozio d'autunno, quando giorno e notte si uguagliano.

La più vicina allo stilo segna il solstizio estivo, quando il Sole si muove all'altezza massima sull'orizzonte.

Una seconda serie di linee divide le tre curve in tratti disuguali, che vengono coperti dall'estremità dell'ombra in un'ora ciascuno.

All'alba l'ombra appare slanciata verso ovest. Durante le prime sei ore del giorno si accorcia progressivamente, fino a divenire minima a mezzogiorno; torna ad allungarsi nelle sei ore successive, fino a scomparire verso est al tramonto.

L'ombra proiettata sul quadrante della meridiana indica pertanto non solo che ore sono, ma anche in quale periodo dell'anno ci si trova.

A indicare l'ora e la data è l'ombra del globo di vetro collocato in cima al grande gnomone di bronzo.

Le ore, dalle 9.00 alle 14.00, sono marcate dalle linee radiali di ottone, mentre la data è indicata dalle linee trasversali di travertino che segnano il percorso diurno del Sole in vari periodi dell'anno, precisamente quando l'astro entra nei segni dello Zodiaco.

La lunghezza dell'ombra dello gnomone varia col trascorrere dei giorni e delle stagioni, indicando il tempo solare vero del luogo in cui ci si trova, che è diverso dal tempo indicato dall'orologio, noto come tempo medio.

Il tempo solare vero ha una variazione periodica che può superare il quarto d'ora rispetto al tempo medio.

La differenza in minuti tra il tempo regolare dell'orologio e quello variabile della meridiana prende il nome di equazione del tempo ed è rappresentata da un grafico che mostra la posizione del Sole nel corso dell'anno misurata alla stessa ora di tempo medio.

La curva descritta nel cielo dalla posizione del Sole alla stessa ora di tempo medio prende il nome di analemma o lemniscàta.

Nel periodo dell'ora legale, alla variazione astronomica va aggiunto lo spostamento in avanti di un'ora delle lancette dell'orologio.

Per fare un esempio, il mezzogiorno vero nel mese di febbraio sarà segnato dalla meridiana intorno alle 12.28, mentre nel mese di luglio sarà segnato intorno alle 13.20 ora legale.

Per leggere l'ora e la data è sufficiente individuare la linea oraria e la curva calendariale più vicine all'ombra dello gnomone. Quando l'ombra non cade precisamente su una linea oraria, si può leggere con buona approssimazione la mezz'ora o il quarto d'ora suddividendo idealmente in due o in quattro parti lo spazio compreso tra due linee orarie. Anche la data si può leggere facendo riferimento ai segni zodiacali e all'inizio dei mesi segnati lungo la linea meridiana.

Lo gnomone è formato da due grandi stele di bronzo che simboleggiano il giorno e la notte. La stele del giorno, rivolta a sud, verso l'Arno, contiene una linea meridiana verticale in cui l'ombra della coda di una "lucipera", metà lucertola e metà vipera, indica il mezzogiorno in ogni periodo dell'anno.

La stele della notte, rivolta a nord, contiene la raffigurazione delle due costellazioni che consentono di individuare la Stella Polare: l'Orsa maggiore e l'Orsa minore.

La rosa dei venti alla base dello gnomone fornisce le direzioni per l'orientamento geografico.

Al calare del Sole, la meridiana continua a svolgere la sua funzione di arredo urbano grazie all'illuminazione che accende la base dello gnomone e i segni zodiacali.