原子や分子のスペクトル線の高精度周波数基準に基づいた極めて正確な時計のこと。高精度のものは、3000万年に1秒、小型化されたものでも3000年に1秒程度の誤差です。

原子時計に基づく時刻系を原子時と呼ぶ。現在のSI秒および国際原子時（International Atomic Time）は原子時計に基づく。

原子や分子はスペクトル吸収線・輝線（決まった周波数の電磁波を吸収・放射する性質もしくはその周波数）を持ち、水晶振動子等よりも高精度な周波数標準となる。周波数は時間の逆数であるから、時間を高精度で測定できる。SI秒の定義もこの性質を利用している。

原子時計は、このような周波数標準器と超高精度の水晶振動子によるクォーツ時計とを組み合わせ、その水晶振動子の発振周波数を常に調整・修正する仕組みによって実現される。

原子時計を元に作られた正確な時刻情報は標準電波として放送されており、その電波を受信してクォーツ時計の誤差を修正しているのが電波時計である。