남병철의 혼천의는 크게 5개의 층으로 구성된다. 가장 바깥을 이루고 있는 외환에는 지평권을 두었다. 그 안쪽에는 육합의를 두었는데, 육합의는 자오권과 천상적도권이 포함된다. 그 다음 안쪽에는 삼신의를 두었다. 삼신의는 삼신권, 유선적도권, 황도권으로 이루어졌다. 그 다음은 재극권을 두었다. 재극권을 통해 극축을 3가지로 구분해 사용할 수 있었다.

<혼천의의 구조와 각 부품의 명칭>

극축을 적극에 두면 적도경위를 측정할 수 있고, 극축을 황극에 두면 황도경위를 측정할 수 있고, 극축을 천정에 두면 지평경위를 측정할 수 있었다. 재극권 안쪽에는 사유의를 두었는데, 사유의는 사유권, 직거, 규형으로 이루어졌다. 규형은 천체를 조준하는 역할을 하는데, 여기에 통광표, 측성표 등의 관측표를 장착하여 천체를 관측하였다.