Τα πρώτα δείγματα χρήσης του χώρου της Βορείου Κλιτύος ανάγονται στην ύστερη νεολιθική περίοδο (3500-3000 π.Χ.), όπου στο βόρειο τμήμα της σημερινής θέσης της Κλεψύδρας είχαν διανοιχθεί 22 αβαθή φρεάτια. Ιδιαίτερη ακμή παρατηρείται κατά την ύστερη ελλαδική περίοδο, από τον 15ο ως τον πρώιμο 14ο αιώνα π.Χ.

Στο δεύτερο μισό του 13ου αιώνα π.Χ. τειχίζεται για πρώτη φορά ο βράχος με την ανέγερση του Πελαργικού τείχους, χαρακτηρισμός που το συνδέει με τους Πελασγούς που ήταν εγκατεστημένοι κάτω από την Ακρόπολη. Εκτός από την προστασία που παρείχε, είχε ως στόχο να περιλάβει εντός των ορίων του την πηγή του Ασκληπιού στη Νότια Κλιτύ και την πηγή της Κλεψύδρας που στο μεταξύ είχε εντοπιστεί στη Βόρεια, αλλά και τις δευτερεύουσες προσβάσεις στην Ακρόπολη και τα Ιερά.

Μία τέτοια πρόσβαση ξεκινά από τον χώρο των Ιερών Σπηλαίων, ανατολικά του σπηλαίου του Πανός. Στην ίδια περίοδο, τον 13ο αιώνα π.Χ., ανάγεται η χρήση του σπηλαίου του Απόλλωνα. Ο χώρος των σπηλαίων συνδέεται στο ανατολικό του όριο μέσω σήραγγας με το σπήλαιο με τη Μυκηναϊκή κρήνη.

Έντονη δραστηριότητα παρατηρείται και στους κλασικούς χρόνους. Στην Κλεψύδρα διαμορφώνεται στα χρόνια του Κίμωνα (470-460 π.Χ.) το πρώτο κρηναίο οικοδόμημα. Τα σπήλαια εξακολουθούν να βρίσκονται σε χρήση, με βάση ενεπίγραφες πλάκες που βρέθηκαν στο σπήλαιο του Απόλλωνα. Ανατολικά αυτού βρίσκεται το σπήλαιο του Διός. Το ανατολικότερο σπήλαιο ήταν αφιερωμένο στον Πάνα, του οποίου η λατρεία καθιερώθηκε στην Αθήνα από το 490 π.Χ., μετά τη μάχη του Μαραθώνα. Την ίδια περίοδο έχουμε και την πρώτη βεβαιωμένη, με βάση ανασκαφικά δεδομένα, χρήση του Ιερού της Αφροδίτης και του Έρωτα, σε μικρή απόσταση κάτω από τη βορειοανατολική γωνία του Ερεχθείου που συνδέεται με τη γιορτή των Αρρηφορίων.

Τόσο οι δευτερεύουσες προσβάσεις προς την Ακρόπολη όσο και προς τα μνημεία της Βορείου κλιτύος ξεκινούν από τον Περίπατο, την περιφερειακή οδό των υπωρειών της Ακρόπολης. Επιγραφή του 4ου αιώνα π.Χ., λαξευμένη στο βράχο, μαρτυρά το συνολικό μήκος αυτού των πέντε σταδίων και 18 ποδών. Στο σημείο μπροστά από την αυλή της Κλεψύδρας ο Περίπατος συναντά την Παναθηναϊκή οδό που ξεκινούσε από το Πομπείο και κατέληγε στην Ακρόπολη. Στον τοίχο αμέσως κάτω από τα Προπύλαια σώζεται επιγραφή του δεύτερου μισού του 4ου αιώνα π.Χ. Από τον 1ο αιώνα μ.Χ. και εξής πραγματοποιούνται ριζικές αναμορφώσεις στον χώρο της Κλεψύδρας λόγω των διαδοχικών κατολισθήσεων του βράχου. Κατά τα οχυρωματικά έργα των Υστερορρωμαϊκών χρόνων δημιουργήθηκε υπόγειος θολωτός διάδρομος από τα Προπύλαια στην Κλεψύδρα, ως μόνος τρόπος πρόσβασης. Καθώς δεν υπήρχε πρόσβαση στο εσωτερικό της από τον Περίπατο, κατασκευάστηκε τον 6ο αιώνα μ.Χ. η Ιουστινιάνεια δεξαμενή. Μεταξύ 10ου και 11ου αιώνα μ.Χ. ιδρύθηκε στη θέση της πηγής το παρεκκλήσι των Αγίων Αποστόλων ενώ στα μέσα του 13ου αιώνα μ.Χ. η πηγή οχυρώθηκε εκ νέου από τους De LaRoche.

Η Μεσαιωνική οδός που συνδέεται επίσης στο σημείο αυτό με τον Περίπατο, οδηγεί στα ανατολικά στο ναό του Αγίου Νικολάου ή Σεραφείμ που κτίστηκε πιθανότατα την πρώτη περίοδο της Τουρκοκρατίας (1458-1687). Μεταγενέστερες προσθήκες είναι τα κτιριακά κατάλοιπα που σώζονται αμέσως δυτικά. Την εποχή που χτίζεται το τείχος της Υπαπαντής (18ος αιώνας μ.Χ.), ένα τμήμα του μετατρέπεται σε προμαχώνα, τη λεγόμενη Ντάπια του Λιονταριού.

Η Κλεψύδρα εντοπίστηκε εκ νέου το 1822 από τον αρχαιολόγο Κ. Πιττάκη, οπότε και χτίστηκε ο προμαχώνας του Οδυσσέα Ανδρούτσου. Το 1862 εντοπίστηκε η επιγραφή του Περιπάτου από τον K. Boetticher. Οι πρώτες ανασκαφικές έρευνες ξεκίνησαν στην Κλεψύδρα το 1874 από τον Γάλλο Ε. Bournouf και συνεχίστηκαν από τον αρχαιολόγο Π. Καββαδία το 1897, όταν ταυτίστηκε το σπήλαιο του Απόλλωνα Υποακραίου και αποκαλύφθηκε το σπήλαιο του Πανός. Το Ιερό της Αφροδίτης και του Έρωτα ανασκάφηκε από τον αμερικανό αρχαιολόγο O. Broneer μεταξύ 1931-1934. Ο ίδιος θα πραγματοποιήσει το 1937 έρευνες στο σπήλαιο με τη Μυκηναϊκή κρήνη. Επανάληψη των εργασιών στην Κλεψύδρα έγινε στο διάστημα 1936-40 από τον αμερικανό αρχαιολόγο A.W. Parsons.