Zegar atomowy to rodzaj zegara kwarcowego sprzężonego z atomowym wzorcem częstotliwości wraz z urządzeniem do wskazywania czasu. Jego działanie polega na zliczaniu okresów atomowego wzorca częstotliwości. Współcześnie najlepiej opanowana została technika wzorca cezowego, którego częstotliwość własną wynoszącą 9 192 630 770 Herców wyznaczono bardzo dokładnie na podstawie długoletniego porównywania z zegarami regulowanymi w obserwatoriach astronomicznych.
Błąd wskazań atomowego zegara cezowego wynosi 1s/1 mln lat (3 x 10-14).
Wzorcem czasu dla USA jest obecnie zegar atomowy wykorzystujący układ z fontanną atomów cezu o dokładności 1 x 10-15.
Jedne z najnowszych badań nad układami generatorów częstotliwości, w których zamiast atomów cezu zastosowano atomy wapnia lub jony rtęci dają realne perspektywy osiągnięcia niedokładności na poziomie 1 x 10-16 tj. 300 razy mniejszej niż obecne zegary atomowe.