Πρόκειται για σπήλαιο με πηγή, στους Β.Δ. πρόποδες του λόφου της Ακροπόλεως, που καθαρίστηκε και χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά στο β΄ ήμισυ του 13ου αι. π.Χ. Βάσει επιγραφής που βρέθηκε στην Αρχαία Αγορά, γνωρίζουμε ότι στο σπήλαιο λατρευόταν κατά τη διάρκεια του 5ου αι. π.Χ. η νύμφη Εμπεδώ. Την ίδια περίοδο (και συγκεκριμένα κατά το 470-460 π.Χ.) διαμορφώθηκε το πρώτο κρηναίο οικοδόμημα με την αυλή που βλέπουμε σήμερα. Είχε ορθογώνιο σχήμα, είσοδο στην Β.Δ. γωνία και κλίμακα που οδηγούσε σε χαμηλότερο επίπεδο, ενώ αγωγοί ύδρευσης ξεκινούσαν από την πηγή. Λόγω των πολλών κατολισθήσεων βράχων (από τον 1ο αι. μ.Χ. κ.ε.) που τελικά έφραξαν την πηγή, κατασκευάστηκε, στα τέλη του 2ου αι. μ.Χ./ αρχές του 3ου αι. μ.Χ., θολωτός διάδρομος (προσιτός μέσω της Ακροπόλεως με κλίμακα) που κατέληγε σε φρέαρ ύδρευσης ανοιγμένο κάτω από τους πεσμένους βράχους. Η κατασκευή οχυρώθηκε στα μέσα του 3ου αι. μ.Χ. με το Υστερορωμαϊκό τείχος. Κατά τον 6ο αι. μ.Χ. το νερό της πηγής διοχετευόταν με πήλινο αγωγό στην Ιουστινιάνεια δεξαμενή (βορείως του τείχους της Υπαπαντής). Στη μεσοβυζαντινή περίοδο (10-11ο αι. μ.Χ.) η Κλεψύδρα μετατράπηκε σε ναϊδριο των Αγίων Αποστόλων το οποίο διετηρείτο έως τον 19ο αιώνα. Τον 13ο αι. μ.Χ. περιβλήθηκε από τους δούκες de la Roche της Αθήνας με προμαχώνα. Η πηγή ανακαλύφθηκε ξανά το 1822 από τον αρχαιολόγο/ επιγραφολόγο Κυριακό Πιττάκη και το επόμενο έτος ο Οδυσσέας Ανδρούτσος κατασκεύασε νέο προμαχώνα γύρω από αυτήν εξασφαλίζοντας πόσιμο νερό στους Έλληνες που κατείχαν την Ακρόπολη.

Η Κλεψύδρα ανασκάφηκε το 1874 από τον Γάλλο αρχαιολόγο Emile Burnouf, το 1897 από τον αρχαιολόγο της Εν Αθήναις Αρχαιολογικής Εταιρείας Παναγιώτη Καββαδία, και κατά το διάστημα 1936-1940 από τον αρχαιολόγο της εν Αθήναις Αμερικανικής Σχολής Κλασικών Σπουδών Arthur Parsons.