Cũng như chiếc đồng hồ quả lắc vận hành dựa trên dao động đều sang hai bên quả lắc, dưới tác dụng của trọng lực, tiếng tích tắc của đồng hồ nguyên tử được bảo toàn bởi sự di chuyển giữa 2 mức năng lượng của nguyên tử. 