Dans son Rapport pour l’année 1881, Louis-Jules Gruey – directeur de l’observatoire depuis le mois d’octobre – résume le rôle qu’il assigne à l’établissement en termes de chronométrie : « l’observatoire de Besançon doit avant tout offrir aux horlogers et aux fabricants de la Franche-Comté un service chronométrique complet, réunissant les moyens de contrôle les plus délicats et les plus perfectionnés ». Dans ce but, il fixe trois missions au service chronométrique : « la détermination de l’heure par des observations astronomiques », « la comparaison des chronomètres des horlogers aux pendules de l’observatoire » et « la distribution de l’heure de l’observatoire à Besançon et ses environs ».

En conséquence, l’observatoire sera doté d’un grand cercle méridien pour la « fabrique » de l’heure et d’horloges « garde-temps » de grande précision pour la conservation de celle-ci. Ces mêmes horloges permettront de distribuer quotidiennement l’heure à la cité horlogère et constitueront les étalons nécessaires au contrôle de qualité de marche des chronomètres produits par les différents fabricants locaux. La première horloge étalon de l’observatoire – l’horloge Fénon n° 45 dite la « Princesse » – est mise en place en 1892 par son constructeur Auguste Fénon dans la salle sud-est de la bibliothèque, faisant face au bureau du directeur. Ce régulateur astronomique synchronise les régulateurs Fénon n° 113, 114 et 115, respectivement en service dans la coupole de l’altazimut et dans les salles d’observation du coudé et du méridien.

La distribution de l’heure débute en 1886 : une fois par jour, à 11 h 00, un top est envoyé manuellement par la ligne télégraphique qui relie l’observatoire à l’hôtel de ville, où « elle est reçue par un grand nombre d’horlogers ». Rapidement, le service chronométrique fonctionne « avec la plus grande régularité et avec succès ». En 1903, jugée peu fiable, cette ligne est renforcée par l’administration des Postes et Télégraphes. En 1904, la pendule directrice de l’observatoire – Fénon n° 45 –, installée jusque-là dans la bibliothèque, et une pendule de temps moyen – Leroy n° 16319 – sont placées dans la salle est du bâtiment méridien, dans deux vitrines à doubles parois vitrées et à régulation thermique achetées à la maison Lequeux.

L’automatisation de la distribution est entreprise en 1906 et, l’année suivante, l’horloger Leroy est chargé d’adapter à cette fonction le régulateur Fénon n° 113, jusque là associé à l’altazimut. Effective le 1er mai 1908, cette automatisation permet de transférer le temps aux abonnés sept fois par jour, de 11 h à 17 h. Afin de renforcer la fiabilité du service, l’horloger est chargé en 1909 de transformer la Fénon n° 120 – qui équipait depuis 1893 la coupole de l’équatorial droit – pour qu’elle supplée la Fénon n° 113 en cas de défaillance. Ces deux régulateurs sont également placés dans la salle est du bâtiment méridien, sous la surveillance du personnel du service chronométrique, comme les pendules directrices Fénon n° 45 et Leroy n° 16319.

Afin de recevoir les signaux radio qui, sur l’initiative du général Ferrié, sont depuis 1910 émis à partir de la tour Eiffel, l’observatoire est doté à l’été 1911 d’un poste de télégraphie sans fil.

Installé en 1913 dans une pièce du sous-sol du pavillon méridien, cet équipement va profondément modifier l’organisation du service chronométrique : le cercle méridien perd son rôle déterminant dans la « fabrique » de l’heure et le dispositif de distribution de l’heure à la Ville et aux fabricants devient obsolète. Pour y remédier, grâce à l’intervention de Ferrié, le service de l’heure reçoit en 1919 du Service de Radiotélégraphie militaire un nouveau poste de TSF, dotation complétée l’année suivante par un chronographe enregistreur Boulitte. Lebeuf souligne lui-même l’impact de ce nouveau matériel sur la marche de l’observatoire : « La tâche du personnel [...] se complique journellement avec les multiples applications de la TSF aux déterminations de l’heure et aux dépêches météorologiques ».

En 1930, lorsqu’il est nommé directeur, René Baillaud relance une demande de 1914 : l’obtention d’une horloge Leroy à pression constante. C’est chose faite en 1932. Deux autres viendront renforcer le dispositif, en 1937 et en 1942. Après 40 ans de service, l’horloge Fénon n° 45 (la « Princesse ») cesse donc d’être la pendule directrice de l’établissement.

L’acquisition par l’observatoire de deux horloges radioélectriques Belin à diapason et de leurs chronographes nécessite en 1939 la construction, par l’architecte bisontin Dampenon, du pavillon dit « des horloges à diapason ». Loin de remplacer les trois Leroy à pression constante (le marché pour l’achat d’une quatrième – la Leroy n° 1769 – sera d’ailleurs approuvé en août 1942 mais elle ne sera installée qu’en 1955), ces deux nouvelles pendules complètent le « parc » des horloges garde-temps.

En 1948, soulignant que les étalons de temps de l’observatoire sont trois horloges à pression constante Leroy et deux horloges radioélectriques Belin, Baillaud demande la modernisation de cet équipement par l’acquisition d’une horloge à quartz. Il précise à cette occasion que « l’Observatoire de Besançon, sans rien abandonner des buts scientifiques qui lui ont été assignés dans les voies de l’Astronomie et de la Physique du Globe, se présente comme un laboratoire d’essais d’instruments horaires ». Sa première horloge à quartz – une Belin – est installée dans le bâtiment des horloges à diapason en 1953.

Le service chronométrique s’équipe en 1959 de deux horloges à quartz Ebauches : l’Observatoire s’est adressé dès 1956 à cette société neuchâteloise car sa production est jugée alors plus performante que celle de la maison parisienne Belin. Les oscillateurs suisses sont d’ailleurs testés par le service de l’heure de l’observatoire de Neuchâtel avant d’être expédiés à Besançon. Une quatrième horloge à quartz complète le parc au cours des années 1960, décennie durant laquelle les horloges Leroy à pression constante sont désaffectées.

Par ailleurs, 1967 marque une rupture : la définition de l’heure se base dorénavant sur le temps atomique – la première horloge atomique à jet de césium date de 1955 – et non plus sur la rotation de la terre. La première horloge atomique du site arrive en 1969. Le service est alors en mesure d’élaborer une échelle de temps atomique locale et s’intègre au réseau des autres laboratoires de métrologie. Il participe ainsi à la constitution des échelles de temps française et internationale, ce qui lui permet d’obtenir en 1971 l’agrément du Bureau national de Métrologie en tant que centre d’étalonnage temps-fréquence.