二十世紀三十年代發明了更加精密的石英鐘后，人們發現世界時盡管加上了極移改正（UT1），仍然是不均勻的。經研究查明，地球自轉存在長期變化、不規則變化和復雜的周期變化。為了滿足更高精度的實際需要，人們開始到物質的微觀世界去尋找具有更穩定周期的物質運動形式用作為新的時間計量標準。于是，以物質內部原子運動的特征為基礎的原子時應運而生。原子時是以秒，而不是以日為基本時間單位的。原子時秒長定義為：銫原子基態的兩個超精細能級間在海平面、零磁場下躍遷輻射9192631770周所持續的時間。1967年第十三屆國際計量委員會決定，把在海平面上實現的上述原子時秒規定為國際單位制時間單位。原子時起點定在1958年1月1日0時（UT），即規定在這一瞬間，原子時和世界時重合。根據這一定義，任何銫原子鐘在確定起始歷元后都可以提供原子時。由世界各地時間實驗室用足夠精確的銫原子鐘導出的原子時稱為地方原子時，不同的地方原子時存在著差異。世界各國的原子鐘按照規定的方法進行相互比對，其數據再由專門的國際機構進行處理，求出全世界統一的原子時，稱為國際原子時，簡稱TAI。

  相對于以地球自轉為基礎的世界時來說，原子時是均勻的計量系統，這對于測量時間間隔非常重要，但世界時時刻反映了地球在空間的位置，這也是需要的。為兼顧這兩種需要，引入了協調世界時（UTC）系統。UTC在本質上還是一種原子時，因為它的秒長規定要和原子時秒長相等，只是在時刻上，通過人工干預，盡量靠近世界時。

  協調世界時（UTC）盡量靠近世界時(UT1)的意思是：必要時對協調世界時（UTC）作一整秒的調整（增加1秒或去掉1秒），使UTC和UT1的時刻之差保持在±0.9秒以內。這一技術措施就稱為閏秒（或跳秒），增加1秒稱為正閏秒（或正跳秒）；去掉1秒稱為負閏秒（或負跳秒）。是否閏秒，由國際地球自轉服務（英文縮寫為IERS）決定。閏秒的首選日期是每年的12月31日和6月30日，或者是3月31日和9月30日。如果是正閏秒，則在閏秒當天的23時59分60秒后插入1秒，插入后的時序是：…58秒，59秒，60秒，0秒，…，這表示地球自轉慢了，這一天不是86400秒，而是86401秒；如果是負閏秒，則把閏秒當天23時59分中的第59秒去掉，去掉后的時序是：…57秒，58秒，0秒，…，這一天是86399秒。

  原子時鐘的應用已經非常普遍了，GPS衛星時鐘系統就是衛星中內置高穩定的銣原子時鐘進行時間守時運行，然后將時間信號發送到地面接收站，地面接收站再對接收到的信號進行分析、比對后，確認為正確的信號后，予以發布授時，GPS衛星授時系統或北斗衛星授時系統就是接收4顆以上的衛星中的原子時鐘的信號后，進行方位的定位，信號的校準后，得出標準統一的時間信號；其時間與衛星中的原子時鐘偏差20納秒（脈沖信號）、報文數據時間精偏差為10微秒以內。