นาฬิกาอะตอม ออกแบบโดย Britain's National Physical Laboratory ในปี ค.ศ. 1995 โดยธาตุ Cesium-33 จะถูกให้ความร้อนในเตาควบคุมทำให้อะตอมที่มีความเร็วสูงวิ่งผ่านแม่เหล็กอะตอม ที่สามารถดูดกลืนพลังงานได้ เมื่อผ่านคลื่น Microwave จะปลดปล่อยพลังงานออกมา ที่ความถี่ 9,192,631,770 รอบต่อวินาที
อะตอมบางส่วน ที่ปลดปล่อยพลังงานออกมา จะเคลื่อนที่ผ่านต่อไปยังแม่หล็ก ก่อนจะถึงตัวดักจับ (Detectors) ซึ่งจะวัดพลังงานที่ได้ ไปปรับเพิ่มค่าความถี่ของ Microwave จนกว่าค่าความถี่ของ Microwaveจะเท่ากับ ความถี่ในการปลดปล่อยพลังงานของ Cesium-33 ซึ่งจะทำให้ Detectors วัดพลังงานได้สูงสุด ซึ่งความถี่จะมีค่าคงที่
ต่อมาในปี ค.ศ. 1967 ในการประชุมเรื่องมาตรฐานหน่วยวัด ได้มีการกำหนดให้ 1 วินาที เท่ากับ ช่วงเวลา ที่ Cesium-33 รับ และปลดปล่อยพลังงาน ในการเปลี่ยนระดับสถานะครบ 9,192,631,770 รอบ" ซึ่งกลายมาเป็นหน่วยมาตรฐานเวลา ในระบบ SI ในปัจจุบัน