Zamanın kesin hesaplarını yapmak için, bir atom saati, bir elektron ve bir atomdaki çekirdek arasındaki salınımların sayısını ölçer.
Bir elektron, belirli bir miktarda enerji kazanırsa veya kaybederse, bir atom içindeki başka bir kabuğa atlayabilir. Kuantum atlaması olarak bilinen bu geçiş, enerjiyi ölçülebilir elektromanyetik radyasyon formunda açığa çıkarır veya enerji emer.
Bu geçişlerin sıklığı atomik bir saatin doğru okumasını sağlar. Günümüz atomik saatleri, saniyede 9,192,631,770 geçişe sahip olduğu bilinen sezyum atomuna dayanır.
Erken atomik saatlerde, bir ışın tüpü içindeki belirli atomların salınımını kontrol etmek için mıknatıslar kullanılmıştır. Şimdi, lazerler bir manyetik alan içerisinde milyonlarca atomu toplamak ve salınmak için kullanılıyor. Bu atomlar, enerji değişikliklerini tespit etmek ve doğru bir zaman okumasını sağlamak için bir fıskiyede yukarı ve aşağı itilir.