천체의 운행과 그 위치를 측정하여 천문 시계의 구실을 하였던 기구. 혼의(渾儀), 또는 옥형(玉衡)이라고도 한다.

하늘의 적도·황도·자오선 등에 해당되는 여러 개의 둥근 테를 구형으로 짜맞춘 것으로, 기원전 2세기경 중국에서 처음 만들어졌다.

우리 나라에서는 1433년(세종 15년)에 이천·장영실 등이 감독하여 처음 만든 뒤로 천문역법의 표준 시계와 같은 구실을 하게 되어, 물이나 추를 동력으로 한 시계 장치를 갖춘 정교한 작품도 만들어졌다.

퇴계 이황, 우암 송시열, 괴담 배상열, 담헌 홍대용의 혼천의가 현존하고 있다. 《서경》에서는 제순이 선기옥형(혼천의)을 만들어 해와 달, 오행성을 관찰한 기록이 있는데, 유학자들에게 일월오행성의 출몰 등 천문을 익히는 것은 학문의 기본이 되는 격물에 해당하는 것이었다. 퇴계 이황의 혼천의는 도산서원 옥진각에 전시되어 있고, 괴담 배상열의 혼천의는 한국국학진흥원 유교문화박물관에 전시되어 있다. 우암 송시열의 혼천의는 국립청주박물관에 보관되어 있는데, 그는 《서경》의 기형율려를 교육하기 위해 사용하였고, 당시 이민철이 제작했다고 밝혔다.