El model tradicional consta d’una caixa de fusta, generalment de forma piramidal, dins de la qual es munta un mecanisme de rellotgeria dotat d’un pèndol compost. La part visible d’aquest pèndol inclou un pes regulable que, en ser variat de posició (acostat o allunyat de l’eix de rotació), permet fixar a voluntat la freqüencia d’oscil·lació del pèndol. Una escala de divisions del temps en permet l’ajustament precís. Atès que, en oscil·lar, el pèndol produeix un so repetit regularment -com ara el tic-tac d’un rellotge-, el metrònom, a més de permetre al compositor d’indicar clarament a la partitura el tempo de la composició (nota metronòmica), també pot ser utilitzat, des d’un punt de vista pedagògic, per a ajudar l’alumne a cenyir-se a un determinat tempo prefixat. Només cal que, tocant amb el metrònom en marxa, l’alumne procuri fer coincidir les pulsacions de la música que interpreta amb les del metrònom.
Els valors numèrics que formen l’escala de mesura del metrònom indiquen la quantitat d’oscil·lacions per minut que el pèndol realitzarà si el seu pes mòbil és ajustat convenientment a aquest valor. Així, 60 vol dir ’60 oscil·lacions per minut', és a dir, una oscil·lació cada 1/60 minuts (cada segon). En la ’nota metronòmica’ el compositor expressa la correspondència entre un valor musical (indicat per la nota que el representa a la partitura) i un valor metronòmic (indicat pel número que li correspon a l’escala del metrònom). Posada al començament d’una obra o un fragment, l’expressió ww = 80, per exemple, prescriu que, en aquella obra o fragment, el valor de la negra sigui 1/80 minuts, o també 60/80 segons, és a dir, 3/4 de segon. Sovint, per a precisar millor l’escala de valors a la qual fa referència, la nota metronòmica s’acompanya de les sigles M.M., que abreugen la indicació ’metrònom Mälzel'.
Inventat cap al 1812 per Dietrich Nikolaus Winkel (1780-1826) a Amsterdam, fou patentat per primer cop per Johann Nepomuk Mälzel (1772-1838), que afegí al model de Winkel una escala de divisions de temps i donà al conjunt la forma piramidal característica, tan propera al gust napoleònic del moment. Les baralles legals per atribuir-se la paternitat de l’invent donaren la raó a Winkel, tot i que la popularitat i els guanys de la comercialització se’ls emportà gairebé exclusivament Mälzel. Un dels primers compositors a utilitzar el metrònom fou Beethoven. Algunes de les seves indicacions metronòmiques, però, prescriuen tempi tan ràpids que fan dubtar de la seva fiabilitat. La consideració i l’estima mostrades pels compositors respecte del nou invent fou molt variable al llarg del segle XIX. J. Brahms, per exemple, en una carta a George Henschel del 1880 escriu: "[...] el metrònom no serveix per a res. Almenys fins allà on arriba la meva experiència, tothom ha reconsiderat, abans o després, les seves indicacions metronòmiques. [...] mai he cregut que el meu pols i un instrument mecànic anessin gaire alhora".
Antigament, els sistemes de mesura del temps utilitzaven el batec del cor com a únic punt de referència. La idea d’utilitzar el pèndol -àmpliament estudiat al final del segle XVI per Galileu, que establí les lleis bàsiques del seu moviment- per a la mesura del tempo musical sorgí molt avançat el segle XVII. El primer a suggerir-ho podria haver estat Thomas Mace en el seu Musick’s Monument (Londres, 1676), seguit molt de prop per d’altres com Étienne Loulié, Joseph Sauveur o, ja al segle XVIII, William Tans’ur (A New Musical Grammar, Londres 1746). Les propostes d’aquests autors, i totes les que s’hi afegiren al llarg de la resta del segle XVIII, es basaven en l’ús del pèndol simple (un únic pes en oscil·lació), que, a la pràctica, les feia inviables per incòmodes, ja que requeria pèndols de gran longitud. La invenció, al principi del segle XIX, del pèndol compost (dos pesos oposats en oscil·lació, un a cada banda de l’eix de rotació) significà el pas definitiu cap a la invenció de l’aparell còmode i manejable que Winkel inventà i que Mälzel batejà amb el nom francès demetronome, neologisme basat en els mots grecs metron, mesura, i nomos, prescripció, llei.
Al segle XX, amb el desenvolupament de la tecnologia electrònica, el metrònom experimentà una evolució molt semblant a la de qualsevol altre aparell de rellotgeria. Els models mecànics deixaren pas definitivament als electrònics (amb oscil·lador de quars, amplificador de senyal, altaveu, senyal lluminós, etc.), més fiables i pràctics.