İlk atom saatleri, sayım ekipmaları eklenmiş TİRMASER'lerdi. Bugünün en iyi atom saatleri, soğuk atomlar ve atomik çeşmelerle çalışan, ileri fizik ürünü aletlerdir. Ulusal standartlar enstitüleri, kullanılan MASER'lerin hata payı olan günlük 10-9 saniyelik sapmayla çalışan saatler kullanırlar. Atom saatleri devamlı ve istikrarlı bir zaman ölçümü standardı olan Uluslararası Atomik Zamanı (International Atomic Time ,TAI) oluştururlar. Diğer ölçümler için, TAI'den elde edilen ancak gece ve gündüzün geçişiyle senkronize edilen Koordine Evrensel Zaman (Coordinated Universal Time, UTC) kullanılır.
İlk atom saati 1949'da ABD Ulusal Standartlar Bürosu'nda (U.S. National Bureau of Standards, NBS) yapıldı. İlk isabetli atom saatiyse, sezyum-133 atomunun rezonansı ölçümüyle 1955 yılında İngiltere Ulusal Fizik Labaratuvarı'nda Louis Essen tarafından yapıldı.
Ağustos 2004'te NIST bilimadamları, bilgisayar çipi ölçeğinde ilk atom saatini tanıuçaklar maddedir. atopoldukalrı için atom saatlerindeki kesinlikten yoksundurlar. Bu yüzden yüksek kesinlik gerektiren bilimsel uygulamalarda kullanılmazlar.