اقترح البروفيسور إيسيدور رابي، أستاذ الفيزياء في جامعة كولومبيا، عام 1945 صنع ساعةٍ معتمدةٍ على تقنيةٍ قام بتطويرها في ثلاثينيات القرن العشرين وهي الرنين المغناطيسي النووي في الحزم الجزيئية، وفي عام 1949 أعلن المكتب الوطني للمعايير NBS (المعروف حالياً بالمعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا NIST) عن أول ساعةٍ ذرية في العالم (NBS-1) والتي تعمل على جزيئات الأمونيا كمصدرٍ للاهتزاز، وفي عام 1952 أُعلن عن أول ساعةٍ ذرية تستخدم ذرات السيزيوم كمصدر للاهتزاز.
قام المختبر الوطني للفيزياء في بريطانيا عام 1955 ببناء أول ساعة تعتمد على السيزيوم، وتم تطويرها خلال العقد التالي وصنع أشكال مُحدّثة منها. وفي عام 1967 عرّف المُؤتمر الثالث عشر لوحدات القياس الثانية على أساس تذبذبات ذرة السيزيوم، واكتمل بناء NBS-4، الساعة الذرية الأكثر دقة في العالم، عام 1968 واستُخدمت في تسعينيات القرن العشرين كجزء من نظام توقيت NIST، وفي عام 1999 بدأت NIST-F1 بالعمل لتصبح أكثر الساعات التي تم صنعها دقةً.