玑衡抚辰仪观测部分的外层是一根南北正立着的“子午双圈”，双圈用铜枕固定着，其空隙的中线为子午正线，在双圈内有两个并排着的圆环，叫做“赤道圈”，外面的赤道圈固定在子午双圈上，东西各有龙柱相托，里面的赤道圈连接在极至圈上，且可以沿赤道面移动，因此，又叫“游动赤道圈”。最里面的一个圆环叫做“赤经圈”，由环内的一根空心铜轴连接在子午双圈的两个极点上，赤经圈可以绕铜轴旋转。在空心铜轴中间还有一根窥管，前端圆孔内有十字丝装置，起到提高观测精度的作用。整个观测部分由雕工精细的云座和龙柱托起。
玑衡抚辰仪与古制浑仪一样分为三重。最外一层直衡六尺，古称六合仪，只比古制浑仪少了地平圈。它主要由云座托着南北正立的子午双环圈组成，双圈外径6.3尺，规面宽3.2寸，中空一寸，侧面厚九分，用铜枕将双圈固定在一起，空隙的中线就是子午正线。圈上刻着去极度，北极高度取北京所在的地理纬度，与天赤道平行的天常赤道交于距两极90度的子午双圈上。天常赤道(赤道圈固定不动)外径6.12尺，两面刻有周日时刻。子午圈下面的云座西面有一孔穴，穴内有狭缝，用它来校正铅锤线是否垂直，以保证观测仪器位置的准确。中间一层称为古三辰仪，但无黄道圈，它由平行于天常赤道内的游旋赤道圈和连接着南北两极轴的赤极经圈组成，经圈外直径5.55尺，规面宽2.2寸，中空1.2寸，侧面厚8分，圈两面刻有去极度，游旋赤道圈的直径和规面宽度与赤极经圈相同，只是比它厚了四分，两面刻着周天度360度。最内层为赤经圈，古称四游仪。实际上是一个双层的赤经圈，贯于南北两极轴上，外直径为5尺，规面宽1.6寸，中空1.4寸，侧面厚7分，两面刻有南北纬度各90度。联接两极的双层部件叫直距，宽1.6寸，中宽1.4寸，厚7分，用它来指定时刻和固定窥衡。窥衡置于直距中间，长4.72尺、中空一寸、方1.2寸，其上端圆孔中有一十字丝，下端有一小圆孔。转动游旋赤道圈和窥衡，将星、十字丝中央和圆孔联成一直线时，就可读出该天体的赤道坐标读数。窥衡右侧安装的一直表，以指示纬度。玑衡抚辰仪基本结构和原理，类似汉唐以来浑仪的传统制度。但是，它大胆地舍弃了地平圈和黄道圈，简化了古浑仪之结构，减少了不必要的部件，扩大了观测天区，提高了观测精度，这在浑仪的发展史上，占有重要地位。玑衡抚辰仪的用法虽和
赤道经纬仪相似，但不同的是它多了一个可以转动的游旋赤道圈，这样在测星的赤道坐标之时，可以直接从上面直接读出此星的赤道经度，测量起来误差小、方便。
由乾隆亲自命名。名字出自于《尚书》有一句名言叫“璇玑玉衡，以齐七政”。玉衡指的天文仪器；七政指的是五大行星，抚是顺的意思，辰是星辰，就是用天文仪器测量星辰。由钦天监监正（相当于天文台台长）戴进贤和刘松龄分别监造，1755年完成，主要测天体位置。
其用法大致如下：测太阳，先转动四游仪，用乌玻璃遮挡的窥衡对准太阳中心，务必使窥孔与十字丝中心重合，将仪定住，此时四游仪所指天常赤道圈上的时刻，就是所求当时的太阳时。如所求的时刻在正午，就要使用附件借弧表来观测，其方法如上。
前身是一个模型叫三辰公晷仪，结合模仿明代浑仪经多方精改制作，它与浑仪最大的不同就是窥衡有一个十字类似于瞄准器的装置，上下两部分，上面圆形圈环象征天道；下面十字方形支架象征大地。主体部分有内、中、外三层组成，最多层固定不动称为双环子午圈，由云座托着双圈组成，繁缛的云纹、山纹非常精美，与双环子午圈相交的则是天常赤道圈。第二层称为游旋赤道经圈，包括贯穿南北两极的赤道经圈，包括连接于中腰的游旋赤道。最内层古人称之为四游圈是一个双层的赤经圈，除此之外还有一个贯穿南北两极的方轴，方轴里边有一个可沿缝隙转动的窥衡。