이 옥루는 장영실이 세종의 총애를 입어 관노(官奴)에서 대호군에까지 승진된 은총에 보답하기 위하여 만든 것이다. 장영실은 이 자동물시계를 만들기 위하여 송(宋)·원(元)시대의 모든 자동물시계와 중국에 전해진 아리비아물시계들에 관한 문헌들을 철저히 연구하여 하나의 독창적인 천상시계(天象時計) 장치를 완성하였다.
이 시계는 경복궁 천추전(千秋殿) 서쪽에 흠경각(欽敬閣)을 지어 설치하였는데, 김돈(金墩)이 쓴 흠경각기(欽敬閣記)에서는 “흠경각 안에 호지(糊紙)로 높이 7척 가량 산을 만들고 금(金)으로 태양의 모형을 만들어 오운(五雲)이 태양을 에워싸고 산허리 위로 가며, 낮에는 산 위에 뜨고 밤에는 산중에 지면서 일주(一周)하는데, 절기에 따라 고도(高度)와 원근(遠近)이 태양과 일치한다.”고 그 구조를 설명하고 있다.
이 옥루는 중국의 천문시계에서 보이는 물레바퀴(water wheel)를 기륜(機輪)으로 한 동력에, 원나라 순제(順帝)의 궁정 물시계와 중세 아라비아물시계들의 하나의 유행과도 같았던 인형에 의한 보시(報時) 장치를 가미, 조선화(朝鮮化)하였고, 거기에다가 태양의 모형을 덧붙여 천상시계로 한 것이다.
김돈에 의하면, 중국 물시계의 여러 장치들은 모두 사람의 손이 조금씩 필요하지만, 옥루는 인력의 도움 없이도 스스로 작동하였다고 하므로 장영실의 독창적 고안과 개량이 이 궁정시계에서 잘 조화되었다고 할 수 있다.
옥루는 명종 초에 경복궁 실화로 불타 없어졌다가, 1553년(명종 8)에 박민헌(朴民獻)·박영(朴詠) 등이 다시 만들기 시작하여 다음해 8월에 완성하였다.