Poiché quello che definiamo tempo è una successione illimitata di istanti, misurare il tempo equivale a confrontare la durata di un fenomeno con la durata di un intervallo definito come campione. I cicli naturali fondamentali sui quali si è iniziato a contare il tempo sono l'alternanza del giorno e della notte (ogni giorno), la lunazione (ogni mese) e il succedersi delle medesime stagioni (ogni anno). Osservando questi cicli periodici l'uomo ha scelto una serie di intervalli sia per suddividere il giorno (ore, minuti e secondi) che per raggruppare giorni (settimane e decadi) e anni (lustri, decenni, secoli e millenni).
Per la scienza, che ha bisogno di una precisione maggiore rispetto a quanto è necessario per la vita comune, l'unità fisica fondamentale di misura del tempo nel Sistema Internazionale è il secondo, non più legato ai moti irregolari della Terra rispetto al Sole: definito nel 1820 come la 86.400-esima parte del giorno solare medio, nel 1960 fu definito come la 31.556.925,9747 parte dell'anno tropico 1900, e nel 1972 è stato definito in relazione alle oscillazioni atomiche come "la durata di 9.192.631.770 cicli di radiazione corrispondenti alla transizione fra due livelli iperfini dello stato di base dell'atomo di Cesio 133".
Il giorno (dal latino diurnum, che significa "che appartiene alla luce") è l'unità di misura fondamentale del tempo derivante dal moto di rotazione della Terra intorno al proprio asse, che provoca il succedersi di luce e buio. Nel suo cammino apparente il Sole si sposta sempre in direzione oraria sorgendo ad est e tramontando ad ovest. Si definisce giorno solare l'intervallo di tempo che trascorre tra due passaggi del Sole sullo stesso meridiano (di solito si prende il meridiano verticale che passa per il punto Sud, al mezzogiorno) ed ha una durata di circa 24 ore, anche se in estate è leggermente più corto che in inverno. Il giorno solare medio è la media costante dei giorni solari di un anno, ed è stata presa come unità di misura fondamentale per la vita civile (quando di parla di durata in giorni si sottointende giorni solari medi). A causa della rotazione terrestre anche le stelle compiono un moto apparente intorno ad un punto molto vicino alla Stella Polare, e si chiama giorno siderale l'intervallo di tempo compreso tra due passaggi di una stella allo stesso meridiano. Il giorno siderale ha una durata costante di 23 ore, 56 minuti e 4 secondi: il motivo per cui il giorno solare è più lungo deriva dal moto annuo di rivoluzione della Terra, dato che il Sole deve recuperare i 4 minuti che nel suo moto apparente annuo perde ogni giorno rispetto alle stelle fisse.
L'anno (dalla radice indoeuropea AT, che significa "ruotare") è un'unità di misura del tempo derivante dal moto di rivoluzione della Terra intorno al Sole, che provoca il succedersi delle stagioni. Nel suo cammino apparente il Sole ogni giorno si sposta di circa quattro minuti in direzione antioraria. Si definisce anno tropico (o anno solare) l'intervallo di tempo tra due passaggi consecutivi del Sole all'equinozio di primavera ed ha una durata di 365 giorni 5 ore 48 minuti e 46 secondi. Se si prendono come riferimento le stelle fisse si ha l'anno siderale, che corrisponde all'intervallo tra due passaggi consecutivi del Sole per lo stesso punto della sfera celeste (le cui coordinate sono riferite alle stelle fisse), e che ha una durata di 365 giorni, 6 ore, 9 minuti e 10 secondi. La differenza deriva dal moto di precessione degli equinozi, per cui il punto corrispondente all'equinozio di primavera non è fisso, ma si sposta all'indietro accorciando l'anno solare di oltre 20 minuti. L'anno civile, necessaria approssimazione dell'anno solare per regolare le attività civili, è invece costituito di 365 giorni, equivalenti a 31.536.000 secondi. L'anno bisestile contiene 366 giorni e fu introdotto nel calendario Giuliano per recuperare le frazioni di giorno perse annualmente.
Il mese (dalla radice indoeuropea ME, che significa "misurare") è un'unità di misura del tempo derivante dal moto di rivoluzione della Luna intorno alla Terra, che provoca il succedersi delle fasi lunari. Il mese sinodico è l'intervallo di tempo tra due noviluni consecutivi (lunazione), che in media dura 29 giorni, 12 ore, 44 minuti e 3 secondi. Prendendo come riferimento le stelle fisse, il mese siderale corrisponde all'intervallo tra due passaggi consecutivi della Luna per lo stesso punto della sfera celeste, ed ha una durata di 27 giorni, 7 ore, 43 minuti e 11 secondi.
Per la gestione delle attività giornaliere il giorno è stato fin dall'antichità diviso in parti dette ore, contate inizialmente dal tramonto del Sole.
In seguito le ore furono divise in minuti e secondi, e vennero contate da mezzogiorno e poi da mezzanotte. Mentre il tempo solare vero, misurabile direttamente con una meridiana, non ha una durata uniforme, l'ora solare media equivale alla 24° parte del giorno solare medio ed è divisa in 60 minuti primi, i quali sono a loro volta divisi in 60 minuti secondi. Naturalmente l'ora solare è locale, perché il passaggio del Sole sul meridiano dipende dalla longitudine: se un tempo il cambio dell'ora non era un problema grave, vista la lentezza degli spostamenti, oggi il fatto di dover regolare continuamente l'orologio la renderebbe inadatta a regolare la vita civile. Per avere un riferimento comune è stato fissato come tempo universale (T.U.) l'ora relativa al meridiano di Greenwich e la Terra è stata divisa in fusi orari estesi 15° in longitudine. All'interno di ogni fuso orario si ha la stessa ora civile, che corrisponde all'ora locale del meridiano di riferimento del fuso e che differisce dal quella di Greenwich per un numero intero di ore.
