Die Caesiumatomuhr, wie nachfolgend beschrieben, entstand in den 1950er Jahren und wird auch heute noch so produziert. Die genauesten von ihnen funktionieren etwas anders (Näheres dazu folgt in der Antwort zur nächsten Frage).
In einer Atomuhr wird die Zeiteinheit ihrer Definition entsprechend realisiert. Caesiumatome werden in einem Ofen verdampft. Jedes Atom befindet sich danach in einem der beiden energetisch tiefsten Zuständen, die Caesiumatome einnehmen können. Nach dem Verdampfen werden die Atome mit Hilfe eines Magnetfeldes sortiert, so dass nur Atome in einem der beiden Zustände in einen Hohlraumresonator gelangen. Dort werden die Atome durch Bestrahlung mit einem Mikrowellenfeld animiert, den Zustand zu wechseln. Abhängig von der Mikrowellenfrequenz geschieht dieser Zustandswechsel mit größerer oder kleinerer Wahrscheinlichkeit. Nach Verlassen des Hohlraumresonators sortiert die Apparatur wiederum und fängt nur die Atome, die ihren Zustand gewechselt haben, in einer speziellen Kammer auf. Bei einer bestimmten Frequenz des Mikrowellenfeldes ist die Wahrscheinlichkeit für den Zustandswechsel am größten und daher die aufgefangene Anzahl an Atomen pro Zeiteinheit am größten. Diese Frequenz wird gehalten und gezählt. Nach 9 192 631 770 Periodendauern des Mikrowellenfeldes ist per Definition eine Sekunde verstrichen.
