据今所知，三国时期，蜀、魏都没有制作天文仪器的记录，而孙吴则在制作仪象方面很有成就，如王蕃依据张衡旧制制成一台小型浑象，葛衡也制造一台浑象，其特点为“使地居于中，以机动之，天转而地止，以上应晷度”。天文学家陆绩还制造了一台卵形浑象。

西晋末年，中原匈奴族政权前赵制成测量用浑仪。此仪由史官丞南阳孔挺设计制作，成于刘曜光初六年（323）。这台仪器是很重要的，因为对于在此以前使用过的浑仪，仅有片言只语的记载，而孔挺浑仪则是第一台留下详细资料的仪器，通过它可以进一步了解汉代浑仪的基本结构。据《隋书·天文志》所载，孔挺浑仪系铜制、由内外两重组成，外重由三个相交的大圆环构成浑仪的骨架，并由四柱支撑着外重骨架；内重是用轴固定在骨架上的可转动的双环，双环直径八尺，双环之间夹置一具可以俯仰的望筒，也长八尺。由于年重的转动轴一为天北极，另一为天南极，所以这架仪器可以方便地测量天体的赤道坐标。在孔挺以前时间最近的同类仪器当属东汉永元十五年（103）左中郎将贾逵的黄道铜议，由于该仪加有黄道，所以必为三重结构，比较繁杂，且不易使用。孔挺显然注意到这个问题，于是将自己的仪器改为两重结构，去掉了黄道环。

东晋义熙十四年（418），宋高祖刘裕于咸阳之战后，得到孔挺所制浑仪，并在称帝后，将其运至首都建康（今南京）。刘宋元嘉年间，社会稳定，经济发展，颇好历数的宋太祖刘义隆认为这台浑仪虽然很好，但在仪器上着不到日月五星和恒星星象，是个缺欠，因而诏令太史令钱乐之制作新仪。钱乐之于元嘉十三年（436）铸成有别于浑仪的浑象。他的新浑象继承和发展了东吴的浑象制作技术，特别是受到葛衡仪器的影响，其结构与张衡的仪器有所不同。新浑象将地平置于球内，地平面将大圆球一分为二，半覆地上，半没地下。在球上缀以星象，在黄道上布以日月五星，以水力推动，昏明中星与天相应。为了与地平放在球外的浑象区别，按宋代苏颂等人的称呼可称之为浑天象。元嘉十七年（440），钱乐之又制成一台小型的浑天象，直径只有二尺二寸，便于搬动，使用起来更加方便。浑天象与浑象功能相同，本质上是一回事，但由于结构变化，工艺要求更高一些。球内地平表示人居住的大地，如果要在球外能看到球内的大地和大地上的装饰，这就要求球必须有相当的透明度。其具体制作方法，现在已难于查考，可能在铸好的骨架上蒙上细铜丝编成的铜网，做成透明网球；也可能蒙上纺成的细纱，再缀以星体。总之制作难度较大，这也反映了当时工艺水平的提高。

浑天象在当时发挥了很好的作用，因为天包着地，所以它比浑象更形象地演示出浑天说的精髓，更符合浑天说者的原话。据《隋书·天文志》载，刘宋天文学家何承天论浑天象体就说过“详寻前说，因观浑仪，研求其意，有悟天形正圆，而水居其半，地中高外卑，水周其下”。何承天观察了仪器演示后对天体浑圆，有了新的领悟，但他仍相信盖天说的观点，把地说成中间高四周低的弧面。浑天象实际上并不是单纯的演示仪器，它也是研究日月五星运动规律的有力工具。根据实际观测得到的七曜相对于周围恒星的位置，可以较准确地将其分别安置在黄道的不同部位，然后通过不断观测，可以了解它们相对于恒星的运动规律，从而测算出行星的会合周期。钱乐之的仪器还有一个十分突出的特点。据《宋书·天文志》说，那台小浑天象“安二十八宿中外官，以白黑珠及黄三色为三家星”；而大浑天象，则用朱、白、黑三种颜色分别表示甘、石、巫咸三家星。显然，他将陈卓的星官体系固化到了仪器上，尽管后来陈卓的图录失佚，但钱乐之的仪器却历经宋、齐、梁、陈、隋五个朝代，为陈卓星官体系的保存和传播，起了重要的作用。刘宋以后梁代也制作过浑象，《隋书·天文志》载“梁秘府有，以木为之。其圆如丸，其大数围。南北两头有轴，遍体布二十八宿、三家星、黄赤二道及天汉等。别为横规环，以匡其外。”这是一台大型浑象。在大木球外匡以地平圆环，所以它与钱乐之的浑天象地平在内结构不同。这一变化也在一定程度上反映了人们天文知识的进步。

在南朝热衷于制造各种浑象的时候，与南朝对峙的北魏却对制造浑仪极为热心。北魏天兴初年（398）太祖拓跋珪命太史令晁崇制作浑仪。仪器完成后晁崇升迁为中书侍郎令，可惜后来又为拓跋珪所杀害。永兴四年（412）明元帝拓跋嗣又诏造太史候部铁仪，由鲜卑族天文学家都匠斛兰铸成铁浑仪，这是我国历史上唯一的一台钦制浑仪。《隋书·天文志》说它分内外两重，“用合八尺之管，以窥星度”。永兴铁浑仪的基本结构与前赵孔挺浑仪大致相同，但又有新创造。如在底座上铸有十字形水槽，以便注水校准水平，这是在仪器设备上利用水准器的开端。后魏铁制浑仪是一台质量很高的仪器，北魏灭亡后，历经北齐、后周、隋、唐几个朝代一直使用了二百多年，直到唐睿宗景云二年（711），天文学家瞿昙悉达还奉敕修葺此仪，可见其使用寿命之长。

除浑仪和浑象的研究和改进外，公元5世纪北魏道士李兰还发明了秤漏，在改革计时装置方面作出了新的贡献。秤漏的原理是用渴乌（虹吸管）将漏壶中的水引入权器，然后称量水的重量以确定时间，“漏水一升，秤重一斤，时经一刻”。秤漏简易、灵敏，可测量很短的时间间隔，并且可随时开始和结束，测量任意的时间区间，因此在隋唐时曾风行一时。