ほとんどの天文時計は24時間式の文字盤を備えており、外周にIからXIIまでの番号が2組振られている。現在の時刻は先端に金色の球か太陽の絵が付けられた時針で示される。正午は文字盤の上方、深夜は下方にあてられる。分針が使われることはまれである。時針は同時に太陽の（北からの）方位角と高さも示す。文字盤の上は南を、2個のVIは東と西に対応する。また文字盤の上方は天頂を、2個のVIを結ぶ線は地平線を意味する（北半球で用いられることを意図した天文時計の場合）。春分・秋分の時にはこの割り当てはほぼ正しくなる。もしXIIが文字盤の上方にない場合、あるいは数字がローマ数字でなくアラビア数字で振られている場合、いわゆるイタリア時（別名ボヘミア時、古チェコ時）が表されている可能性がある。この方式では日没を0時として、夜から昼に向かって時間を数えていき、次の日没で24時を迎える。上に画像を掲載したプラハの時計では、時刻は太陽と指で示され、ほぼ正午（ローマ数字のXII）、もしくは第17時（アラビア数字によるイタリア時）である。
近年では独立した時計職人のクリスティアン・ファン・デル・クラウーがアストロラーベを模した腕時計である「アストロラビウム」（Astrolabium ）や、「プラネタリウム2000」（Planetarium 2000 ）、「エクリプス2001」（Eclipse 2001 ）、「リアル・ムーン」（Real Moon ）を作っている。ユリスナルダンも「アストロラビウム・ガリレオガリレイ」（Astrolabium Galileo Galilei ）、「プラネタリウム・コペルニクス」（Planetarium Copernicus ）、「テリリウム・ヨハネスケプラー」（Tellurium Johannes Kepler ）といった天文腕時計を販売している。日本における特徴的な天文腕時計としては、シチズンが開発した「ムーンサイン」（1984年～）及び「コスモサイン」（1986年～）というシリーズが知られている。　ムーンサインには２枚の回転盤のずれによって月齢と月の位置を示すアイデアが採用されている他、1.70等以上の恒星22個と天の川を表示する星座早見盤等が内蔵されている。コスモサインは腕時計としては世界初の自動式精密星座速見盤が採用されている。
展示品として見栄えが良いことから、様々な卓上天文時計が作られている。17世紀のアウクスブルクでは、一人前の時計職人となるには「一級品」と呼べる非常に精巧な卓上天文時計を作らねばならなかった。ロンドンの大英博物館などでその例を見ることができる。パリ近郊のヴェルサイユ宮殿にはロココ時代の壮麗な卓上天文時計があり、これは時計職人や技術者が12年かけて製作したものである。1754年にルイ15世に献上された。
ヨーロッパ諸国には天文時計が数多く存在する。ウェルズ大聖堂、エクセター、オタリー・セントメリー、ウィンボーン・ミンスター、ハンプトン・コート宮殿、シオン、ヴィンタートゥール、クレモナ、スプリト、マントヴァ、ブレシア、シュテンダール、ロスキレ、ミュンスターなど多くの都市で天文時計を見ることができる。ルーアンの大時計（Gros Horloge ）はよく知られる14世紀の天文時計であり、大時計通りにある。ベルンのチェートクロッケ（Zytglogge ）も有名で、15世紀からスイスの首都に置かれている。リヨンにあるサン・ジャン大聖堂にも14世紀の天文時計が設置されている。ドイツのエシュリンゲン・アム・ネッカーにあるフェスト（Festo ）社では、ハンス・ショイレンブラント（Hans Scheurenbrand ）がハルモニア・ムンディ（Harmonices Mundi 、ヨハネス・ケプラーの著書『世界の調和』からとっている）という名の時計を製作した。これは天文時計を技術的に洗練したものと世界時計に74片の音板からなるグロッケンシュピールを組み合わせたものである。
主電動機は1000形と同一の東洋電機製造製TDK806/7-H直巻整流子電動機を、中空軸平行カルダン駆動装置を介して搭載する。同電動機は日本国有鉄道（国鉄）の新性能電車に搭載されたMT46形電動機と原設計が共通であり、性能も概ね準ずる。歯車比は1000形同様85:14（6.07）である。主制御器は2両分8基の主電動機を制御する1C8M仕様で、東洋電機製造製電動カム軸式ACDF-H8100-777Cをクモハ6001に搭載する。制御段数は22段（直列11段・並列8段・弱め界磁3段）で発電制動は19段である。同制御器は加速度変更機能を有し、運転台にあるスイッチを操作することで通常2.0km/h/sと高加速2.5km/h/sを切り替えることが出来る。減速度は通常3.5km/h/s、非常4.5km/h/sである。また応荷重装置がついており、定員200％まで一定の加減速度を保つことが出来る。運転席は上信電鉄の慣例として進行方向右側に配されており、主幹制御器には1000形と同じワンハンドル式を採用した。電動発電機（MG）は冷房装置用の電源を供給することから大容量ブラシレスMGの東洋電機製造製TDK3313-B（出力75kVA・3相交流200V-60Hz）を1基、電動空気圧縮機（CP）は騒音・保守作業の低減を図った三菱電機製のC-2000L形（定格吐出量2000L/min）を1基、共にクモハ6002に搭載する。台車は住友金属工業製で軸箱支持がペデスタル式のダイレクトマウント式空気バネ台車FS395Aを装備する。基本構造は1000形のFS395と同一だが、波打車輪の採用により軽量化が図られている。制動装置は1000形と同じく全電気指令ブレーキを採用するが、1000形の日本エヤーブレーキ（現ナブテスコ）製HRD-1から三菱電機製MBS-Dに変更されている。パンタグラフはすべて高崎側に搭載している1000形とは異なり、各車運転台側に1基ずつ搭載されている。警報装置には1000形に引き続いてメロディホーンを搭載し、車内放送用に旧・日本国有鉄道（国鉄）の特急形車両などに装備された『鉄道唱歌』の車内チャイムを搭載している。しかし、これらは後述のワンマン化以降通常の営業運転においては使用されていない。