Một giây trong hệ đo lường quốc tế (SI) được định nghĩa từ năm 1967 là sự kéo dài 9,192,631,770 chu kỳ của bức xạ ứng với sự chuyển tiếp giữa hai mức trạng thái năng lượng của nguyên tử cesium (Caesium), đồng vị bền 133Cs. Có thể hiểu nôm na là trong 1 giây nguyên tử 133Cs chuyển đổi giữa 2 trạng thái năng lượng 9,192,631,770 lần. Tần số của bức xạ sau một lần chuyển đổi được tính theo Δ ν {\displaystyle \Delta \nu } = ΔE/h (với h là hằng số Planck).

Phần chính của đồng hồ nguyên tử là một máy cộng hưởng vi sóng, máy có thể tự điều chỉnh tần số (khi có chênh lệch nhỏ) và so sánh với tần số bức xạ nguyên tử, khi hai giá trị này bằng nhau, máy dò sẽ nhận được một tín hiệu cực đại, 9 192 631 770 tín hiệu sẽ cho ra 1 giây.

Độ chính xác của máy cộng hưởng vi sóng thường có giá trị khoảng 10−14 (chênh lệch 1 giây sau 300 năm).