尽管现在市面上有形形色色的各种原子钟，但这些原子钟的原理都是相同的，其主要差别在于使用的元素，以及能级变化时间的检测方式。各种类型的原子钟包括：

　　铯原子钟：采用铯原子束。这种时钟通过磁场分离出不同能级的铯原子。

　　氢原子钟：将氢原子装在一个容器中，该容器的四周以特殊材料制成，可以使氢原子保留所需的能级，而不会过早地失去较高的能态。

　　铷原子钟：是所有原子钟中最简便、最紧凑的一种。这种时钟使用一玻璃室的铷气，当周围的微波频率刚好合适时，就会按光学铷频率改变其光吸收率。

　　当今最精确的原子钟都使用了铯原子，以及正常磁场和检测器。此外，还可以通过使用激光束来防止铯原子前后高速移动，从而可以减少因多普勒效应而产生的轻微频率变化。

　　原子具有独特的振荡频率。将含钠的精盐撒入火中会闪耀橙色光，这大概是最常见的频率。原子的频率各不相同，有的具有无线电波长，有的具有可见光谱，还有的介于这两者之间。铯133是制造原子钟时选用得最多的元素。

　　要借助铯原子共振制成一台原子钟，必须精确测量其中一种原子跃迁和共振频率。通常，测量方法是将一个晶体振荡器锁在铯原子的主要微波共振子上。该信号在无线电频谱的微波范围内，与直播卫星信号的频率类型刚好相同。工程师们清楚地知道如何制造适合该频谱范围的设备。

　　要制造一台时钟，首先需要将铯加热，使原子汽化，然后沿着在高真空环境中调控的试管内流动。原子首先流过一个磁场，该磁场将选择能态适当的原子；然后，原子将流过一个强微波场。微波能的频率将在狭窄的频率范围内前后扫描，以便在每个周期的某个时间点，完全与 9,192,631,770赫兹（Hz，或每秒周期数）这个频率重叠。微波发生器的范围已经与这个确切的频率非常接近，因为范围值是由精确的晶体振荡器计算出来的。当铯原子接收到频率完全合适的微波能时，将会改变自身的能态。