Die Grundlagen für die Atomuhr wurden 1944 vom US-Physiker Isidor Isaac Rabi entworfen. Die Atomuhr funktioniert nach dem Prinzip, in dem der Zeittakt von Elektronen freier Atome abgeleitet wird bei der Frequenz von deren Strahlungsübergängen. Atomuhren sind die derzeit die genauesten Uhren. Die Zeitanzeige einer Referenzuhr steht in ständigem Abgleich mit dem Taktgeber der Atome und wird kontinuierlich angepasst. Atomuhren werden auch primäre Uhren genannt.
Weltweit gibt es über 60 Institute mit über 260 Atomuhren. Das Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) in Paris legt die Internationale Atomzeit (TAI) als Referenzzeit weltweit fest.