Tähtede abil aja määramise loogika põhineb tähtede näival tiirlemisel ümber Põhjanaela. Tähtede ööpäev on veidi lühem kui 24 tundi, kuna Maa liigub ümber Päikese, seda arvestab kellaaja määramisel ka Tähekell. Selle liikumise põhjal saab hinnata kellaaega, jälgides tähtede asendeid ning võttes arvesse kuupäeva. Põhjanael on kergesti leitav, horisondist umbes 60° kõrgusel, kui vaadata põhja suunas. Viitetäht Dubhe kõigile tuntud Suure Vankri tähtkujus on samuti lihtsasti leitav.

Tähekell on kalibreeritud näitama vööndiaega Tallinna pikkuskraadil. Kui liikuda aga ida või lääne poole, muutub näit mõne minuti võrra – idas on kell veidi ees ja läänes maha jäänud. Kuna Eesti on väike, jääb ida–lääne suunalisest liikumisest tekkiv viga väiksemaks kui instrumendi praktiline mõõtmisviga. Seetõttu võib tähekella kasutada kogu Eesti piires, mitte ainult Tallinnas või selle lähiümbruses.