Už v roku 1402 je zmienka o hodinách na veži. V roku 1410 tu bol hodinárom Mikulášom z Kadaně pravdepodobne v spolupráci s astronómom Jánom Ondřejovým (Jan Ondřejov nazývaný Šindel, "lat. Iohannes Andreae dictus Sindel") postavený súčasný orloj. Približne v roku 1470 bola doplnená architektonická a sochárska výzdoba a v roku 1490 orloj upravil hodinár, majster (čo v staročeštine znamená aj remeselník) Hanuš. V druhej polovici 16. storočia upravil a zdokonalil Staromestský orloj Jan Táborský z Klokotské Hory. Ďalšie opravy boli prevedené v priebehu 17. a 19. storočia. Pri veľkej oprave v rokoch 1865 až 1866 bola tiež osadená nová kalendárna tabuľa od Josefa Mánesa so symbolmi zverokruhu, mesiaca a so znakom Starého Mesta pražského. 8. mája 1945, na konci 2. svetovej vojny počas Pražského povstania bol orloj značne zničený a jeho obnovenie si vyžiadalo celkovú rekonštrukciu.