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  利用原子遷躍來估算時間的概念在1879年首次由開爾文男爵提出。 磁共振的方法則由伊西多·拉比在1930年代發展出來,併成為製作原子鐘的核心技術。  1945年,拉比首次公開宣稱原子束磁共振可用於製作鐘錶。 第一個原子鐘是氨微波激射器,1949年製成於美國的國家標準局(National Bureau of Standards)。當時使用分子鐘命名,是當時最精確的計時工具,但這個原子鐘還沒有現在的石英鐘準確。  1955年,第一個精確的原子鐘由路易斯·埃森根據銫-133的遷越製成於英國國家物理實驗室。 銫原子鐘的標度依照天文學的星曆時(ET)。  自1950年代以來,原子鐘開始依靠氫-1、銫-133和銣-87的超精細遷越製造。第一個商業化的原子鐘是National Company製造的Atomichron,這種原子鐘在1956年至1960年間售出至少50個。這些初代商業原子鐘巨大而笨重,1964年被更輕巧的機架式原子鐘取代。  1971年:銫原子鐘環球飛行實驗首次證實了狹義相對論,兩個經過較準的銫原子鐘在經歷不同加速歷程後產生了誤差。  2004年8月,國家標準技術研究所的科學家發明出了晶片尺寸的原子鐘, 根據研究人員所述,這種新的原子鐘只有同類的1%大小,所需能量不過125mW。 因此該原子鐘可以使用電池來續航,2011年此技術開始商業化。  英國國家物理實驗室,於2011年8月26日BBC報導NPL-CsF2 銫原子鐘在1億3千8百萬年的時間內的誤差不會超過1秒鐘()。這一結果在儀器儀表行業期刊Metrologia上發表。  美國國家標準技術研究所,於2014年4月3日正式上線NIST-F2 銫原子鐘聲稱在3億年的時間內的誤差不會超過1秒鐘()。  義大利國立計量研究所,於2016年2月國際計量局(BIPM)報導IT-CsF2 銫原子鐘,在1億8千7百萬年的時間內的誤差不會超過1秒鐘()。  2019年6月25日,深空原子鐘樣本2019-036C發射首次試飛。NASA噴氣推進實驗室的託德·埃利解釋說,這種新的原子鐘利用帶電的汞原子或離子來計時,而目前地球GPS衛星上的原子鐘則使用中性的銣原子來計時。由於深空原子鐘內部的汞原子帶有電荷,它們會被困在電場中,因而無法與其容器壁相互作用;相比之下,GPS原子鐘內部的這種相互作用會導致銣原子失去節奏。該專案首席研究員、NASA噴氣推進實驗室的伊爾·舒伯特在新聞釋出會上說,如果深空原子鐘在太空中試驗的這一年進展順利,那麼它最早在本世紀30年代就可以開始執行任務,能為未來的單向導航打好基礎。宇航員將可以用其在月球表面進行導航,也可以安全地自主執行任務,前往火星以及更遠的深空。減少與地球之間的通訊——這將是航天器目前航行方式的巨大改進。
原子鐘(英語:Atomic clock)是一種時鐘,它以原子共振頻率標準來計算及保持時間的準確。原子鐘是世界上已知最準確的時間測量和頻率標準,也是國際時間和頻率轉換的基準,用來控制電視廣播和全球定位系統衛星的訊號。