La technique de navigation consistait à se « caler » en latitude pour atterrir sur une côte, et estimer au mieux sa longitude par des méthodes approximatives. Cette approche a engendré de nombreux naufrages jusqu’au XVIIIème siècle.
Il se pratiquait à bord un calcul de longitude, avec une méthode dite de la mesure des distances lunaires mise en place au début du XVIème siècle, cette méthode était la technique la plus usuelle avec une précision très relative…Dès 1530 le savant hollandais Gemma Frisius fut le premier à introduire la notion de l’heure (sans employer le terme chronomètre) pour connaître la longitude.
Mais les horlogers ne disposaient pas du savoir-faire pour élaborer un garde-temps précis, et surtout régulier.
Les difficultés de conception et de réalisation venaient principalement de l’environnement spécifique à bord, dont les différentes accélérations liées aux moments de roulis et de tangage, aux variations de température, et à l’hygrométrie. Il y eut des tentatives pour conserver à bord l'heure du premier méridien au moyen d'horloges, on essaya successivement des sabliers de 24 heures, des clepsydres à eau et à mercure, des horloges à balancier suspendues sur cardan. Mais tous ces essais furent vains.
De très nombreux naufrages furent causés par cette approximation dans le calcul de la longitude. Et en particulier, en 1707, l'amiral Anglais Cloudesley Shovell et sa flotte naviguent par temps de brouillard au nord des îles Scilly, pensant se trouver plus au large. La flotte s'échoue et plus de deux mille hommes périssent noyés. Cet énième naufrage, conjugué à la volonté britannique de suprématie maritime, est à l'origine du Longitude Act. Cette loi du Parlement Britannique, votée en 1714 va considérablement accélérer la recherche d’un procédé de connaissance du temps à bord des navires en dotant d’une prime de 20 000 livres à celui ou celle qui déterminera une méthode simple et sûre pour permettre le calcul de la longitude d'un navire en pleine mer.
Plusieurs personnes travaillèrent pour remporter la dotation de 20 000 livres. Le terme de chronomètre (chronometer) apparut en 1714 à la suite des travaux de Jeremy Thacker. Mais ce sont les efforts acharnés ponctués d’essais, d’erreurs et de plusieurs versions de prototypes qui permirent à John Harrison, un artisan ébéniste anglais devenu horloger, de remporter la dotation. Au cours de ses 31 années de recherches, il s’efforça de construire une horloge de précision capable de garder l'heure du port d'origine. Avec l'aide du Board of Longitude, il commence en 1730 à construire plusieurs chronomètres de marine. En 1741 ses deux premiers prototypes, baptisés H1 et H2 étaient déjà révolutionnaires car ils disposaient de mécanismes insensibles à la pesanteur ou aux mouvements du navire. Néanmoins ces chronomètres restaient sensibles aux forces centrifuges, c’est finalement en 1761 avec la version H4 (qui utilisait un balancier rapide contrôlé par un ressort spiral avec compensation de température) qui remporta le prix. Ce système resta celui utilisé en général jusqu'à ce que l'apparition d'oscillateurs électroniques stables permette la fabrication de montres portables très précises à un coût abordable.
De l’autre côté de la Manche, les Français menèrent aussi leurs propres recherches à peu près en même temps. Pierre Le Roy inventa en 1748 l'échappement à détente caractéristique des chronomètres modernes. En 1766, Le Roy créa un chronomètre comportant ce dispositif d’échappement à détente, ainsi qu’un balancier à compensation de température et un ressort isochrone. Harrison avait certes montré la possibilité d'un chronomètre fiable en mer, mais les innovations de Le Roy furent considérées comme fondamentales pour les chronomètres modernes, rendant ces appareils beaucoup plus précis.
En 1750 Ferdinand Berthoud, maître-horloger, mène aussi des recherches importantes sur les horloges marines. Les principaux soucis de l’horloger sont d’obtenir une force entraînant régulièrement et précisément le mouvement et de réussir à ce que le balancier ait toujours des oscillations égales, de réduire les frottements qui se produisent entre les roues, les axes et les pivots du mécanisme et enfin de corriger les défauts entraînés par les variations de température sur les métaux qui constituent les rouages.
Aucun de ces instruments n'était simple, ils montraient néanmoins que la solution de Harrison n'était pas la seule concevable. Cependant, les plus grandes avancées vers des solutions pratiques vinrent en 1870 de Thomas Earnshaw et John Arnold qui développèrent et brevetèrent des échappements «à ressort», et améliorèrent le dessin et la fabrication des ressorts spiral. Cette combinaison d'innovations allait être à la base des chronomètres modernes jusqu'à l'apparition des appareils électroniques.
Les chronomètres de marine français furent conçus par de grands horlogers créateurs, dont Le Roy, Berthoud, puis la dynastie des Breguet. Mais en raison de leur coût, et d’une production artisanale qui ne fut suivit d’une industrialisation que sur le tard, il fallut attendre les années 1880 pour voir équiper la majorité des navires français. Alors que dès 1825 la Royale Navy avait commencé à munir systématiquement ses vaisseaux de chronomètres de marine.
Pour l’anecdote, la marine américaine (US Navy) se fournissait avant la Seconde Guerre mondiale auprès de l’horlogerie européenne pour équiper sa flotte de chronomètre de marine. Le déclenchement de la guerre mis en exergue cette dépendance vis-à-vis de l’Europe. L’industrie horlogère américaine se mobilisa alors dans un effort de guerre sur requête personnelle du Président Franklin Delano Roosevelt. En 1941 la marque américaine Hamilton réussit à produire en un temps record des chronomètres de marine de très grande qualité (modèle Hamilton T21) et répondant au cahier de charges des forces navales américaines. Ces chronomètres vont alors équiper très rapidement tous les bâtiments de l’US Navy, ainsi que des Liberty Ships qui vont assurer les convois Atlantique pendant la guerre.
Les chronomètres de marine modernes sont à présent des horloges à quartz, dont la marche est mesurée journalièrement sur des signaux radios ou GPS (la marche horaire d'un chronomètre est l'avance ou le retard qu'il prend en une heure).
Si la navigation astronomique n’est plus vraiment d’actualité à bord, sauf pour de rares passionnés, la conservation et la mesure du temps reste un enjeu important dans tous les domaines de la science et de l’industrie. Les performances actuelles des horloges correspondent à un décalage d'une seconde tous les 3 millions d'années.
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