С 1967 года международная система единиц СИ определяет одну секунду как 9 192 631 770 периодов электромагнитного излучения, возникающего при переходе между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Согласно этому определению,атом цезия-133 является стандартом для измерений времени и частоты. Точность определения секунды определяет точность определения других основных единиц, таких как, например, вольт или метр, содержащих секунду в своём определении.

Стабильность атомных часов  (где  — отклонение частоты  часов за некоторый период времени) обычно лежит в пределах10⁻¹⁴—10⁻¹⁵, а в специальных конструкциях достигает 10⁻¹⁷, и является наилучшей среди всех существующих типов часов.

Кварцевый генератор представляет собой автогенератор, в качестве резонансного элемента которого используются пьезоэлектрические моды кварцевого кристалла. Генерируемые им электромагнитные колебания имеют фиксированную частоту, равную, как правило, 10 МГц, 5 МГц или 2,5 МГц, с возможностью перестройки в небольших пределах (±10⁻⁶, например, изменением температуры кристалла). Обычно долговременная стабильность кварцевого резонатора мала и составляет около . С целью повышения его стабильности используют колебания атомов или молекул, для чего колебания кварцевого генератора с частотой  постоянно сравниваются c помощью частотно-фазового компаратора с частотой атомной линии , регистрируемой в квантовом дискриминаторе. При появлении разницы в фазе и частоте колебаний схема обратной связи подстраивает частоту кварцевого генератора до требуемого значения, повышая тем самым стабильность и точность часов до уровня .

В СССР идеологом создания атомных часов был академик Николай Геннадиевич Басов.