Das 1535 von Hans Luterer gefertigte Uhrwerk im 3. Geschoss übertrug durch Stangen und Räder die Antriebskraft auf die Stundenzeiger. 1593/1594 wurde dieses Uhrwerk ersetzt, und 1675 wurde das Schlagwerk durch F. Bachofen zur Pendeluhr umgebaut, um damit die Genauigkeit zu erhöhen. Bis 1826 musste ein Uhrenrichter mittels eines Flaschenzugs, der die Gewichte hob, die Uhr täglich mehrmals aufziehen. Mit der Erneuerung des Zifferblatts wurde 1844 ein neues Uhrwerk mit Viertelstundenschlag durch den Uhrmacher Johann Rudolf Frech aus Zürich eingebaut. Die Elektrifizierung des Uhrwerks erfolgte 1873, die Unruh befand sich im Haus zum Rüden. 1972 wurde die Unruh durch eine vollautomatische Hauptuhr in der Uhrenstube des Kirchturms ersetzt. 1996 wurde das elektrifizierte mechanische Uhrwerk von 1844 durch eine zentrale Computeranlage, welche die vier Zeigerpaare direkt an den Achsen steuert, ersetzt.

Die Turmuhr von St. Peter zeigte ursprünglich Zürichs Lokalzeit an: Alle öffentlichen Uhren der Stadt hatten sich danach zu richten. Die Turmuhr verfügt mit einem Durchmesser von 8,64 Meter über das grösste Turmzifferblatt Europas.

Das aktuelle Zifferblatt wurde 1928 vom Schweizer Grafiker Ernst Keller (1891–1968) entworfen. Die schwarzen Ringe sind direkt auf das Mauerwerk aufgemalt, die Ziffern und die zwei goldenen Kreise bestehen aus zwei Millimeter dickem doppelt vergoldetem Kupferblech.

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