垂直日晷的工作原理主要基於兩個方面的觀察：
影子的長短變化：在一天中，被太陽照射到的物體投下的影子在不斷改變。早晨的影子最長，隨著時間的推移，影子逐漸變短，一過中午它又重新變長。
影子的方向變化：在北回歸線以北的地方，早晨的影子在西方，中午的影子在北方，傍晚的影子在東方。
垂直日晷的晷針垂直地穿過圓盤中心，起著圭表中立竿的作用，因此晷針又叫「表」。石制的圓盤叫做「晷面」，安放在石台上，呈南高北低，使晷面平行於天赤道面，這樣，晷針的上端正好指向北天極，下端正好指向南天極。隨著時間的推移，晷針上的影子慢慢地由西向東移動。移動著的晷針影子好像是現代鐘錶的指針，晷面則是鐘錶的表面，以此來顯示時刻。例如，早晨，影子投向盤面西端的卯時附近；當中午時，針影位正下方，指示著當地的午時正時刻。午後，太陽西移，日影東斜，依次指向未、申、酉各個時辰。