この種の時計は第1次世界大戦前後に出現しており、初期の発想としては、ガラスののぞき窓と竜頭操作用のねじ込み蓋を備えた別体ケースに腕時計を入れ、ケースごとベルトで装着するものがあった。これは防水性は確保できるがかさばって使いにくく、体裁も悪かった。
早い時期に近代的な防水構造を採用した代表例は1926年のロレックス社である。オイスター社が開発した（ロレックス自身の開発ではない）削り出しによる一体構造の「オイスターケース」方式を導入したもので、腕時計本体のケースにねじ込み竜頭を備え、従来よりコンパクトでスマートな防水時計を実現した。1928年にはロレックスを装着した女性記者メルセデス・グライツがドーバー海峡横断遠泳に成功、ロレックスの防水性を広く喧伝した。
ねじ込み式竜頭や夜光塗料を塗布した文字盤を装備し、水深100m以上の水圧に耐えられる「ダイバーズ・ウォッチ」は、1930年代に軍用向けに出現していた。潜水時間を管理する安全上の理由からも夜光防水時計は必須だったのである。イタリア・オフィチーネ・パネライのダイバー用大型腕時計はその初期の例であるが、本格的な普及は第二次世界大戦後である。1943年にジャック・クストーが考案したアクアラング装置が戦後に広まり、スキューバダイビングが容易になったことが普及の契機と見られる。
ねじ込み式竜頭は原理自体は理想の方法だが、ねじ巻きや時間合わせで頻繁に竜頭を使うと摩耗して気密性が下がる弱点がある。それに代わる簡易な手段として、裏蓋や竜頭部分のパッキンにOリングと呼ばれるゴムリングを使い防水性を確保する手法が広まった。リングの個数を増やせば気密性が高まり、またリングの老化で気密性が下がってもリングの交換で復旧できる。あわせてケース材質をさびにくいステンレス製とすることも一般化した。
Oリング方式は第二次世界大戦中には連合国側で通常型の軍用時計に広く使われ、戦後は大衆時計にまで普及した。ねじ込み式竜頭と併用してより厳重に防水する手法も行われており、現在ではもっとも一般的な防水法である。
だが初期のOリング式防水時計は現代で言う「日常生活防水」レベルの防水性能がほとんどであった。日本でも大衆向け価格帯の分野に防水時計が出現した1960年代中期に、ユーザーが防水性を過信して着用したまま入浴や水泳を行い、水の侵入で時計を故障させるトラブルが続出したことがある。
一部のメーカーは耐久性の要求される時計について一種の多重ケース構造に近い手法とOリングの併用で気密性を高める方法を採った。「オメガ・スピードマスター」はその代表例である。
美術工芸品としての腕時計もある。材料に金や銀などの貴金属をふんだんに用い、ルビーやダイヤモンドといった宝石を散りばめた華美な装飾品としての腕時計である。こうした時計では、クオーツ式ではなく機械式であることが多い。
極端なものでは、風防に数カラットの大粒ダイヤモンドを用いるなど、考えうる限りの贅を尽した数億円の腕時計も存在する。
機械式腕時計は小さなケースの中に多くの高度な技術が込められている。中でも「トゥールビヨン」、「ミニッツリピータ」、「永久カレンダー」は超絶技術として名高い。これらの超絶技術は一握りの時計メーカー、時計職人にしか実現できず、これらを組み込んだ腕時計は、100万円以上、なかには1000万円を超す価格をつけることもある。
クロノグラフ
時刻を表示する機能に加えストップウオッチの機能も組み込んだ時計のことをクロノグラフという。文字板上に複数の小ダイアルを配置した外観が特徴的である。この機能を初めて備えた腕時計は1915年ブライトリング社によって発表されたもので飛行機の操縦士用に開発された。ストップウォッチ用の針が2本ある場合、スプリットセコンドという。
ムーンフェイズ
月が描かれた円盤で月齢を表す機構。18世紀の天才時計師アブラアン・ルイ・ブレゲが発明したとされる。よく「ムーンフェイス」と誤読されるが、「moon face（フェイス＝顔）」ではなく「moon phase（フェイズ＝段階）」である。なお、廉価な時計には一見ムーンフェイズと同じような外観の機能を積んだものもあるが、これらの多くは月齢を表しているのではなく、単に12時間毎に月と太陽が書かれたイラストが交互に表示されるだけのもの（すなわち昼夜の区別があるだけ）で、ムーンフェイズと区別して「サン&ムーン」機能と呼ばれている。
トゥールビヨン
アブラアン・ルイ・ブレゲが発明した技術で重力による誤差を補正するために主要な部品群を一定方向に常時回転させておく機構のことを指す。本来、時計本体に固定されているべき部品を回転させるため、非常に複雑な機構と高度な技術が要求される。
ミニッツリピータ
時計の側面のレバーを引くことで、鐘の音色や回数で現在時刻を知らせてくれる機構。クォーツ時計のアラーム機能に似ているが、機械式でこれを実現するためには非常に高度な技術が必要とされる。
永久カレンダー
現在時刻のみならず、月、日、曜日、暦年が表示でき、4年に一度の閏年も補正の必要が無いカレンダー機構を永久カレンダーと呼ぶ。
機械式時計と異なり、デジタル時計には精度が必要な時間計測、カレンダー、アラームといった機能が初期の段階から備わっていた。そのために、各種センサー類を取り付けることによって、従来の時計とは異なる機能（気温、気圧測定、電子コンパスなど）が付け加えられた。
腕時計は利き腕と反対側の腕に着用することが多い。また、女性の場合、盤面を腕の内側に向けて着用する例も比較的多いが、男性においては稀である。女性用腕時計は男性用腕時計に比べて小型に設計されている。中には必要以上に小型化されている例もあり、かつてはそのような婦人時計を「南京虫」と呼んだ[要出典]。男性用サイズと女性用サイズの中間的なサイズの腕時計はボーイズサイズと呼ばれる。
なお腕時計成立の経緯から懐中時計に比べて腕時計は略式とみなされ、従来は燕尾服、モーニングコート、ディナージャケットその他の礼装時には腕時計は着用しないものとされてきたが、現在ではその規範は徐々にゆるくなってきている[要出典]。
腕時計をめぐる逸話
オメガの「スピードマスター」はNASAの公認クロノグラフである。NASAは各社の腕時計に対し、宇宙空間での使用に耐えられるかどうか、耐熱性、耐寒性、耐衝撃性など様々な試験を行った。この結果、「スピードマスター」のみが合格したという実績を持つ。この試験に使用された「スピードマスター」には特にそれ専用の改造をほどこしてあったわけではなく市販品とまったく同様のものであった。アポロ計画でも使用され、月面に降り立った唯一の腕時計という栄誉を誇っている。