精密測定緯度和緯度變化的儀器。一般安裝在固定臺站。它是國際緯度站的主要觀測儀器。1669年，英國胡克首創天頂儀，並用它測量天龍座γ星的周年視差。現今的天頂儀是考克孫在1900年左右設計的。這種天頂儀有一架能繞水準軸而在子午面內旋轉的望遠鏡，其口徑主要有110、135和180毫米三種。在望遠鏡的焦面上有目鏡測微器，視場約18′，也有超過1°的。望遠鏡指向某一天頂距後可以與水準軸鎖緊，然後一起繞垂直軸旋轉180°。這樣，望遠鏡就指向天頂另一側的同一天頂距處。利利用鏡筒上的精密水準器可以檢測和改正在轉軸前後鏡筒在天頂距方向的微小變化。天頂儀用目鏡測微器觀測一顆在天頂以南（或北）過子午圈的恒星，然後轉軸180°，幾分鐘後再觀測天頂以北（或南）過子午圈的另一顆恒星。由於這兩顆恒星有相近的天頂距，能在同一視場中用目鏡測微器測量。這樣測得的兩星的天頂距差等於兩星的赤緯之和減去緯度的二倍。由於兩星的赤緯是已知的，就可以解算出緯度。
天頂儀的優點是不需要測量難以測準的恒星天頂距(約在0°～30°的范圍內)，因而避免瞭天頂距度盤的誤差。此外，天頂距之差的大氣折射改正也較易定準。用天頂儀觀測一對星所得的緯度均方誤差約為±0.″1～±0.″3。為瞭提高觀測的精度，天頂儀在一夜間往往要觀測許多對星。
除目視天頂儀外，還有照相天頂儀，用以拍攝南北兩星的軌跡，求出兩星的天頂距之差。浮動天頂儀也是一種照相天頂儀，它是漂浮在水銀槽裡的望遠鏡，用水銀面保持水平，目的是使轉軸前後鏡筒的天頂距不變。