原子时是以物质的原子内部运动规律为基准的时间尺度。原子中的电子在不同能级之间跃迁时会发射或者吸收一定频率的电磁波，并且该电磁波的频率值非常恒定。1967年10月，第十三届国际度量衡会议通过了新的时间计量单位——原子时。原子时秒长的精确定义为“位于海平面的铯133原子基态两个超精细能级（如图所示）在零磁场中跃迁辐射9 192 631 770周所持续的时间”。原子时规定在1958年1月1日0时这一瞬间为起始时刻，世界时和原子时相差0.0039秒。

铯原子钟的超精细能级

根据原子时秒的定义，任何原子钟在确定起始历元后，都可以提供原子时。原子钟的起始点各不相同，即使选择了同一起点，由于准确度和稳定度存在着差异，长期积累之后所显示的时刻也会明显不同。因此，在建立原子时初期，除了采用共同起始点之外，还要用多台钟进行平均的办法得出原子时，使其尽可能准确。

由各个国家的实验室的高精度原子钟自主保持的原子时称为地方原子时，世界上约有70多个国家分别建立了各自独立的地方原子时。国际上原子时系统称为TAI。由于地球自转不均匀，世界时和原子时之差逐渐累积，到1992年累积差已达26秒。

铯原子束钟是通用的最准确的原子时标准，但科学家还采用其他原子作为原子钟。某些钟（例如基于氢或铍原子）能够比已有的铯原子钟更准确几千倍。