O iPhone não está completamente vazio quando a bateria "morre". Se você perceber, quando tentar ligá-lo quando a bateria estiver descarregada, a tela aparecerá brevemente para informar que a bateria está descarregada - ou seja, ainda resta energia na bateria. O relógio continua a ficar sem bateria e consome uma quantidade tão pequena de energia que a Apple decidiu manter o relógio funcionando.
Eventualmente, a bateria acabará completamente (provavelmente após muitos dias ou semanas) e o relógio acabará parando de manter o tempo. Como Ian C. mencionou, o relógio será sincronizado quando o telefone for conectado e ligado novamente, se houver uma rede disponível.