发明制作世界上最古老的天文钟——水运仪象台
浑天仪是浑仪和浑象的总称。浑仪是测量天体球面坐标的一种仪器，而浑象是古代用来演示天象的仪表。它们是我国东汉天文学家张衡所制的。在继承隋唐五代以来历法成就的基础上，北宋时期的天文技术人员对历法差失的原因已经有了较为明确的认识，其中认识之一就是认为，日月星辰的运动，随着岁月的流逝，积累的误差就会显现，因此，以原来的历法考校就会有差失，历法也就必须做相应的变更。宋神宗熙宁七年（1074年），皇帝命沈括对旧浑仪进行改造。沈括带领一批技术人员，先是取消白道环，然后校正浑仪轴，虽然取得了很大进步，但熙宁八年（1075年）颁行的《寿元历》等均不尽如人意。沈括上书朝廷，要求制作精密观测仪器。因为观测数据和推算方法是编制历法准确度的关键，而观测数据的准确度又取决于观测仪器的精度。1086年，苏颂奉命检验当时太史局使用的各种浑仪，他想到沈括的建议，同时他也觉得应该有表演天象的仪器和浑仪配合使用，于是他向皇帝奏请要研制一种浑仪、浑象和报时装置结合在一起的大型天文仪器。
虽然有了主持修撰医书的组织经验，并且苏颂儿时就对天文极感兴趣，时常把玩家中收藏的浑天仪小样，并渐渐心有所悟；他于历法也有研究，十六岁便作有以天文历法为内容的《夏正建寅赋》；参加进士科考那年，试题为《历者，天地之大纪赋》，结果苏颂名列第一。尽管如此，苏颂内心却十分清楚，这次所担当的重大任务，显然比修撰医书更为艰巨。
苏颂接受这项科技工作后，首先是四出走访，寻觅人才。他发现了吏部令史韩公廉通晓《九章算术》，而且还通晓天文、历法。苏颂立即奏请朝廷，请求调韩公廉专门从事水运仪象台的研制工作。接着，他走出汴京到外地查访，发现了在仪器制造方面学有专长的寿州州学教授王沇之，随后他又考核了天文机构的原工作人员。最后，他奏请朝廷把优秀的人员调到天文机构或留在天文机构，以此来协助韩公廉工作。
苏颂领导科技工作的一大特点就是能深入钻研业务，力求精通他主管的工作。嘉佑初年领导编写医书时，他就首先研读了从《内经》到《外台秘要》的历代医药著作，并亲自校订了《神农本草经》等多种典籍，使自己通晓了本草医药知识。在这次领导研制水运仪象台期间，他对两汉、南北朝、唐、宋各代的天文著作和仪器也作了研读与考察。他还勤于向自己的下属学习，如向韩公廉请教历算，与局生亲量圭尺，和学生躬察漏仪。由此，他从一个对天文仪器、机械设计、本草医药知之不多的外行，变成了名副其实的专家。
苏颂对研制工作也是慎之又慎的，他认为，有了书，做了模型还不一定可靠，还必须做实际的天文观测，这样才能进一步向前推进，同时也能避免浪费国家资财。经过多次实验证明韩公廉的设计很是精确，于是在元佑三年五月造成小木样呈进皇帝，并拿到都堂上检验。宋哲宗指派翰林学士许将等进行试验和鉴定。元佑四年（1089年）三月，许将向朝廷报告：“臣等昼夜校验，与天道不差。”这时苏颂才开始正式用铜制造仪器。
水运仪象台的构思广泛吸收了以前各家仪器的优点，尤其是吸取了北宋初年天文学家张思训所改进的自动报时装置的长处；在机械结构方面，采用了民间使用的水车、筒车、桔槔、凸轮和天平秤杆等机械原理，把观测、演示和报时设备集中起来，组成了一个整体，成为一部自动化的天文台。它是中国古代的卓越创造。其中的擒纵器是钟表的关键部件。因此，英国科学家李约瑟等人认为水运仪象台“是欧洲中世纪天文钟的鼻祖”。整座仪器高约12米，宽约7米，是一座上狭下广、呈正方台形的木结构建筑，其中浑仪等为铜制。全台共分3隔。上隔是个板屋，中放浑仪；下隔包括报时装置和全台的动力机构等；中隔是间密室，放置浑象。
整个水运仪象台相当于一幢四层楼的建筑物，最上层的板屋内放置着一台浑仪，屋的顶板可以自由开启，平时关闭屋顶，以防雨淋，这已经具有现代天文观测室的雏型了；中层放置着一架浑象；下层又可分成五小层木阁，每小层木阁内均安排了若干个木人，五层共有162个木人，它们各司其职：每到一定的时刻，就会有木人自行出来打钟、击鼓或敲打乐器、报告时刻、指示时辰等。在木阁的后面放置着精度很高的两级漏刻和一套机械传动装置，可以说这里是整个水运仪象台的“心脏”部分，用漏壶的水冲动机轮，驱动传动装置，浑仪、浑象和报时装置便会按部就班地动作起来。
其次，水运仪象台顶部设有九块活动的屋板，雨雪时可以防止对仪器的侵蚀，观测时可以自由拆开。水运仪象台的活动屋顶是现代天文台圆顶的祖先。所以，苏颂与韩公廉又是世界上最早设计和使用天文台观测室自由启闭屋顶的人。
水运仪象台是总结、继承和发展了我国在天文学和天文仪器技术方面卓越的科技成就，它把“仪、象、钟”三者合一，堪称世界上最早的天文钟，其中浑仪的四游仪窥管、水运仪象台顶部的九块活动屋板、擒纵控制枢轮的“天衡”系统等三项为世界首创，在我国和世界科技史上都占有重要的地位。国际上对水运仪象台的设计也给予了高度的评价，认为水运仪象台为了观测上的方便，设计了活动的屋顶，这是今天天文台活动圆顶的祖先；浑象一昼夜自转一圈，不仅形象地演示了天象的变化，也是现代天文台的跟踪器械——转仪钟的祖先；水运仪象台中首创的擒纵器机构是后世钟表的关键部件，因此它又是钟表的祖先。苏颂等人所造的水运仪象台也堪称中国科学技术史上非凡的创举，它设计巧妙、结构复杂，尤其在天文学和仪表制造方面成就更为显著，它同时拥有多项世界首创的荣耀。同时，从水运仪象台可以反映出中国古代力学知识的应用已经达到了相当高的水平。
苏颂水运仪象台完成后，在开封使用了三十四年。可是，让苏颂意想不到的是，在他去世二十多年以后，金兵打下开封，北宋灭亡，水运仪象台等天文仪器和北宋皇朝的大批图籍宝器被金兵缴获，被长途跋涉搬到了燕京（今北京），金兵把水运仪象台的零部件都拆了下来，原想把仪象台迁运燕京然后再重新装配使用，但由于经过长途搬运，一些零件已遭损坏或散失，又缺少有经验的能工巧匠，又因开封和燕京地纬度不同，地势差异，重新组装的水运仪象台从望筒中窥极星，要下移四度才能见到，连一般观察也不能进行了。
水运仪象台毁坏后，其影响依然存在。金与南宋都想再把它复制出来，秦桧就曾派人寻找苏颂后人并访求苏颂遗稿，还请教过朱熹，想把水运仪象台恢复起来，可是苏颂遗存的手稿因无人理解其中方法，以致无人能仿造，复制水运仪象台的事情经过历朝历代也始终没有成功。1958年，中国考古学家王振铎最先复原水运仪象台模型，并发表《揭开了中国“天文钟”的秘密》论文并绘制复原详图存世。该复原原件存放于中国历史博物馆；近年主要由苏州市古代天文计时仪器研究所复原并送至各地科技馆或天文馆收藏。从此，水运仪象台只能作为史书上的记载见证着中国古代天文仪器和机械制造所曾经达到的一个高峰。
李约瑟在深入研究了水运仪象台之后，曾改变了他过去的一些观点。他在《中国科学技术史》中说：“我们借此机会声明，我们以前关于‘钟表装置……完全是十四世纪早期欧洲的发明’的说法是错误的。使用轴叶擒纵器重力传动机械时钟是十四世纪在欧洲发明的。可是，在中国许多世纪之前，就已有了装有另一种擒纵器的水力传动机械时钟。”