宋代机械制造方面最杰出的成就是水运仪象台的创制。它突出地反映了处于巅峰时期的传统机械工程技术的水平。水运仪象台是集天文测量仪器和报时装置于一体的大型天文钟，由水力通过一组齿轮系统予以驱动和运行，宋哲宗元祐二年（1087）至元祐七年（1092）由苏颂、韩公廉负责设计制造完成。绍圣年间，苏颂著《新仪象法要》详细记述并图示了它的结构和尺寸，使后人得以窥其堂奥。水运仪象台高36.65尺，宽21尺，为截面方形的木结构建筑。其原动轮称作枢轮，边缘有水斗和铁拨子。顶部设杠杆装置，相当于钟表的擒纵机构，可控制枢轮作定速转动。这是世界上最早的擒纵装置，在机械发展史上具有重要价值。计时装置称作昼夜机轮，经由木人及击钟、击鼓等方式，自动报时。上设浑象和浑仪，用来观测天象和显示天体运行。浑仪所处木屋有可开合的屋面板，与现代望远镜观测的可开启屋顶具有相同的作用。水流系由河车经筒车灌注到天河（受水槽）中，再经铜壶滴漏装置（天池，平水壶）驱动枢轮。昼夜机轮由传动齿轮通过昼夜钟鼓轮、昼夜时初正轮、报刻司辰轮、夜漏金钲轮和夜漏司辰轮来报时。浑象设有天轮，与昼夜机轮轴相接。浑仪设有环状齿轮（天运单环）和名为天毂的小齿轮，从而也可随着水轮运转。全部齿轮系是从6个齿轮的传动到600个齿的运转。
于中国历史博物馆。
类似的齿轮系在王黼所制名为璇玑玉衡的水力驱动的天文仪器中也予使用。据《宋史·律历志》载，宣和六年（1124）制成玑衡，这种仪器要“注水激轮。其下为机轮四十有三，钩键交错相持，次第运转，不假人力。多者日行二千九百二十八齿，少者五日行一齿。疾徐相远如此，而同发于一机，其密殆与造物者侔焉”。
宋代在机械制造方面的另一杰出成就为指南车和记里鼓车的创制。《宋史·舆服志》首次详载指南车的结构：“仁宗天圣五年工部郎中燕肃始造指南车。……其法用独辕车，车箱外笼上有重构，立木仙人于上，引臂南指。用大小轮九，合齿一百二十。足轮二，高六尺，围一丈八尺。附足立子轮二，径二尺四寸，围七尺二寸，出齿各二十四，齿间相去三寸。辕端横木下立小轮二，其径三寸，铁轴贯之。左小平轮一，其径一尺二寸，出齿十二；右小平轮一，其径一尺二寸，出齿十二。中心大平轮一，其径四尺八寸，围一丈四尺四寸，出齿四十八，齿间相去三寸。中立贯心轴一，高八尺，径三寸。上刻木为仙人。其车行，木人指南。”其后，吴德仁于大观元年（1107）又献指南车和记里鼓车之制，后者也是利用齿轮传动，由木人击鼓表示车行里程。这两种车辆也由王振铎复原，陈列于中国历史博物馆。