Die berühmte Astronomische Uhr von Olmütz (Olomoucký orloj) befindet sich an der Nordfassade des Rathauses. Sie ist in eine Nische mit einem 14 m hohen Spitzbogen hineingesetzt. Das heutige kuriose Aussehen der Uhr scheint keine Spuren mehr von ihrer uralten Geschichte und ihres künstlerischen und wissenschaftlichen Wertes aufzuweisen. Nicht einmal mehr die ursprünglichen beweglichen Figuren, die einst wegen ihre Farbenpracht und der sie begleitenden Musik die Blicke magisch auf sich zogen, sind übrig geblieben. Erstmals wurde die Astronomische Uhr im Jahr 1519 erwähnt. Die ursprüngliche Uhr, von der man nicht weiß wie sie genau aussah, wurde während der ersten großen Restaurierungsarbeiten 1573-1575 „erneuert und verbessert“. Die Astronomische Uhr veranschaulichte die mittelalterliche Vorstellung vom Weltall und konnte mit gotischen Flügeltüren verschlossen werden. Die Türen waren mit Plastiken und Malereien verziert: Sowohl mit beweglichen Figuren, die mit Instrumenten und Musikmechanismen ausgestattet waren und als auch mit Tafelmalereien.
Den Dreißigjährigen Krieg überstand die Uhr nur knapp – wie auch die ganze Stadt. Die nächsten Renovierungsarbeiten erfolgten 1661 und 1662. Damals wurden die künstlerischen Elemente um Wandmalereien zum Thema „die sieben freien Künste" an den inneren Flächen der Nische bereichert. Im unteren Teil der Astronomischen Uhr befanden sich Kalenderscheiben von Paul Fabricius mit vier kleineren Zeigern und Drehscheiben an den Seiten. Auf den Ziffernblättern waren neben den Viertel- und vollen Stunden auch die ungeraden Stunden sowie Planeten und Tierkreiszeichen dargestellt. Im unteren Teil des Kalendariums zeigte eine Engelsfigur mit einem Zeigestock auf den jeweiligen Tag des Jahres. Im mittleren Teil der Astronomischen Uhr befand sich ein Glockenspiel und darüber ein Porträt des Herrschers. Ganz oben war eine Plastik der halbliegenden Göttin Luna zu sehen. Die Seiten-„Flügel“ der Astronomischen Uhr sorgten für das Figurenspiel und erweckten die Figuren zum Leben. Links stand der heilige Wenzel und neben ihm der heilige Georg auf dem Pferd, der gegen einen Drachen kämpfte. Darüber sah man eine Mönchsstatue, die im Takt des Glockenschlags die Perlen eines Rosenkranzes bewegte sowie einen Einsiedler, der eine Glocke läutete. Auf der rechten Seite befand sich unten Maria mit dem Jesuskind, dem die Heiligen Drei Könige huldigten. Über dieser Figurengruppe waren ein Kavalier mit seinem Troubadour zu sehen (beides Renaissance-Werke).
Die letzten großen Restaurierungsarbeiten an der Astronomischen Uhr in ihrer ursprünglichen Form (die auf der Überzeugung gründeten, dass die Sonne und die Planeten um die Erde kreisten) erfolgten zwischen 1746 und 1747. Hierbei kamen erneut ein Uhrmacher, ein Orgelbauer und der bedeutendste und bekannteste Künstler, der sich an den Verzierungen der Uhr beteiligte, der Olmützer Barockmaler Johann Christoph Handke, zum Zuge. Unten auf der Stirnseite malte Handke selbstbewusst die beiden Hauptautoren des Gesamtkunstwerks: einen Uhrmacher und einen Maler (der vermutlich ein Selbstbildnis darstellt). Ab 1800 blieb das Uhrwerk 11 Jahre lang stehen und nach einer provisorischen Reparatur erneut – die Uhr war bis 1898 somit nicht in Betrieb. Damals erlebte die historisierende Architektur einen Boom und so erhielt auch die Astronomische Uhr ein romantisches Aussehen, das zum ersten Mal wesentlich in ihre ursprüngliche künstlerische und technische Gestaltung eingriff. Die neue Uhr aus dem Hause Eduard Korfhage stellte eine andere Anordnung des Sonnensystems dar, bei dem die Planeten um die Sonne kreisten.
Das endgültige Ende, ja sogar die Leugnung des historischen Wertes der Uhr als künstlerisches Denkmal, bedeuteten die Eingriffe von Karel Svolinský zwischen 1947 und 1955. Angeblich sei die Uhr während des Zweiten Weltkriegs massiv beschädigt worden – dabei waren die Schäden im Vergleich zu jenen, die die Prager Aposteluhr erlitten hatte, fast unbedeutend. In den tristen 1950er Jahren hieß der Marktplatz Stalinplatz. Svolinský änderte die historische Astronomische Uhr passend zur Doktrin und Propaganda des kommunistischen Regimes. Auf der Uhr waren plötzlich arbeitende, tanzende und sporttreibende Mähren zu sehen. Obwohl Svolinský angab, schon in jungen Jahren in Svatý Kopeček bei Olmütz als Marionettenschnitzer gearbeitet zu haben, war es seine Frau Maria, die die Figuren gestaltete. Die Glasmosaiken mit den Darstellungen der beiden Volksfeste „Königsritt“(Jízda králů) und „Umzug der kleinen Königinnen“ (Průvod královniček), sowie verschiedener Berufe (Arbeiter und Chemiker) und einer Allegorie auf die zwölf Monate stammen aus dem Staatsbetrieb Česká mozaika aus Nový Bor.