Atom saatindeki salınım veya osilasyon atomun çekirdeği ve elektronları arasında gerçekleşir. Çekirdek ve elektronlar arasında geçen zamanın izini sürmek için salınımları kullanırlar. Atomdaki salınım frekansı çekirdeğin kütlesi ve ağırlığına ve çekirdekteki pozitif yük ve onu çevreleyen elektron bulutu arasındaki elektrostatik yaya bağlıdır. Atomik bir saatte atomların doğal salınımları dedelerimizin köstekli saatlerindeki sarkaç gibi davranır. Bununla birlikte atomik salınımların çok daha yüksek bir frekansı olduğu ve çok daha kararlı oldukları için atomik saatler konvansiyonel saatlerden çok daha hassastır. Birçok farklı atom saati türü bulunur ancak genellikle aynı temel çalışma prensibini kullanırlar.