中層是一間沒有窗戶的“密室”，裏麵放置渾象。天球的一半隱沒在“地平”之下；另一半露在“地平”的上麵，靠機輪帶動旋轉，一晝夜轉動一圈，真實地再現了星辰的起落等天象的變化。
下層設有向南打開的大門，門裏裝有5層木閣，木閣後麵是機械傳動係統。
第一層木閣又名“正衙鍾鼓樓”，負責全台的標準報時。木閣設有3個小門。至每個時辰的時初，就有一個穿紅衣服的木人在左門裏搖鈴；每逢時正，有一個穿紫色衣服的木人在右門裏敲鍾；每過一刻 鍾，一個穿綠衣的木人在中門擊鼓。
第二層木閣可以報告12個時辰的時初、時正名稱，相當於現代時鍾的時針表盤。這一層的機輪邊有24個司辰木人，手拿時辰牌，牌麵依次寫著子初、子正、醜初、醜正等。每逢時初和時正，司辰木人按時在木閣門前出現。
第三層木閣專刻報的時間。共有96個司辰木人，其中有24個木人報時初、時正，其餘木人報刻。比如子正的和醜初的初刻、二刻、三刻等。
第四層木閣報告晚上的時刻。木人可以根據四季的不同擊鉦報更數。
第五層木閣裝置有38個木人，木人位置可以隨著節氣的變更，報告昏、曉、日出及幾更等詳細情況。5層木閣裏的木人能表演出準確的報時動作，是靠一套複雜的機械裝置“晝夜輪機”帶動的。而整個機械輪係的運轉依靠水的恒定流量，推動水輪做間歇運動，帶動儀器轉動，因而命名為“水運儀象台”。
蘇頌主持創製的水運儀象台是當時我國傑出的天文儀器，也是世界上最古老的天文鍾。國際上對水運儀象台的設計給予了高度評價，
認為水運儀象台為了觀測上的方便，設計了活動屋頂，是現在天文台活動圓頂的祖先。
李約瑟在深入研究水運儀象台之後，曾改變了他過去的一些觀點。他在《中國科學技術史》中說：
我們借此機會聲明，我們以前關於“鍾表裝置……完全是14世紀早期歐洲的發明”的說法是錯誤的。使用軸葉擒縱器重力傳動機械時鍾是14世紀在歐洲發明的。可是，在中國許多世紀之前，就已有了裝有另一種擒縱器的水力傳動機械時鍾。
渾象一晝夜自轉一圈，不僅形象地演示了天象的變化，也是現代天文台的跟蹤器械轉儀鍾的祖先；水運儀象台中首創的擒縱器機構是後世鍾表的關鍵部件，因此它又是鍾表的祖先。
從水運儀象台可以看出，我國古代力學知識的應用已經達到了相當高的水平。