En 1527, une arche de pierre, traversant la rue du Gros Horloge, relia le beffroi à l'ancien Hôtel de Ville. Ce sont les faces latérales de ce passage de pierre qui portent aujourd'hui encore les cadrans de l'horloge, l'un faisant face à la cathédrale, l'autre au Vieux-Marché.
Le cadran comporte à sa base un semainier montrant la planète correspondant à chaque jour de la semaine. Le semainier a été restauré en 1892. Au dessus des cadrans qui donnent l'heure grâce à une seule aiguille terminée par un mouton, est disposée de chaque côté du passage une fenêtre circulaire dans laquelle tourne une sphère représentant la Lune (une face noire, l'autre argentée, deux rotations complètes en 59 jours). La précision est telle que l'écart constaté des lunaisons n'excède pas un jour par an.
Jusqu'en 1928, le mouvement d'horlogerie conçu par Jehan de Felains en 1389 anima l'aiguille de l'horloge. Aujourd'hui, c'est une horloge à quartz radio-pilotée qui commande l'horloge et les passages aux heures d'été et d'hiver.