要知道，原子由中心的原子核及在核外沿特定軌道執行的電子組成。每個電子都有屬於自己固定的飛行軌道，當最外層電子從一個軌道跳變到另一個軌道時，能量就會發生改變，需要吸收或釋放電磁波。這個電磁波有一個確定的頻率，而且非常穩定。根據現在電子錶原理，只要我們掌握了某種原子超精細能級之間所對應的電磁振盪頻率，就可用來精確計時了。所以，科學家用原子作節拍器，保持時間的高精度。
而如何利用這個穩定的電磁波作為時間計量的鐘呢！
早期的科研工作者們針對不同原子，研究出了不同對策。對於導航衛星上裝載的銣原子鐘，首先將銣原子團“囚禁”在一個密閉的真空氣室裡，並用波長七百八十奈米的光照射它，銣原子的最外層電子吸收光場的能量，跳變到另一個軌道，並自輻射到第三個軌道。
當所有銣原子都完成這一步驟後，便不再吸收光子，也無法觀察到原子自發輻射產生的熒光了。之後，再用一個六點八吉赫茲的微波去照射這群原子，讓第三個軌道的電子重新回到第一個軌道。
這時，可觀察到銣原子重新吸收七百八十奈米的光子，並自發輻射出熒光。利用觀察到的熒光強弱，反饋回去糾正微波訊號，就可得到高度穩定的微波頻率。這就是銣原子鐘的工作原理。
地面上常用於時間保持的銫原子鐘，則完全採用不同策略。原子外層電子如果處在不同軌道，就會具有不同的磁矩，在非均勻磁場中，將會受到不同大小的磁力。
先將銫原子加熱成氣體，並讓其穿過一個小孔變成銫原子束，然後再穿過一塊特定的磁鐵，處於不同軌道的原子就會發生不同角度的偏轉。
這時，用一束九點二吉赫茲的微波去照射這些原子，讓某一特定角度偏轉的原子實現軌道跳變，最後再透過一個特定方向的磁鐵，讓發生跳變的這一部分原子剛好穿過另外一個小孔，並用感測器去探測這一部分原子的數目，將其轉換成電訊號，反饋回去控制微波源的頻率，得到穩定頻率的微波訊號。
有了這些穩定頻率的微波訊號後，人們可透過電磁學手段，將其轉變成標準頻率，供科研、通訊、工業等領域使用。
也可利用電磁學手段，將這個頻率訊號轉換成一系列間隔為一秒的脈衝訊號，進而變為我們熟悉的時間訊號“時、分、秒”進行輸出。這樣，我們就擁有了一臺原子鐘。
隨著鐳射等技術手段的不斷成熟，除了傳統的銣鍾、氫鍾、銫鐘之外，還湧現出離子鍾、冷原子噴泉鍾、光鍾等新型原子鐘，精確度指標也在不斷重新整理。目前，最好的光鍾精確度指標已進入十到十九量級。
雖然原子鐘聽起來高深莫測的原子鐘，其實離人們的生活並不遙遠，已融入我們的生活中。
因為除了定位導航外，原子鐘還被應用到全世界的時間保持和授時服務上。
比如，我們所熟知的苝驚時間，就是整個藍星一百五十多臺原子鐘共同守時並加權平均後的結果。
各種物理學常數的測定，還有電力系統、通訊系統，也都離不開高精度的原子鐘。
否則，電網調節時間出現偏差，可能會導致電機故障，更加嚴重的甚至能讓電網崩潰，而各地交通體系時間有差異，可能會造成交通事故，以至於人員傷亡。
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