Une horloge atomique est un instrument utilisant comme référence (l'équivalent du mouvement de balancier d'une pendule traditionnelle) la fréquence du rayonnement émis lors de la transition atomique entre deux niveaux d'énergie particuliers de l'atome de césium 133.
Dans une horloge atomique, la mesure du temps est basée sur la fréquence d'un oscillateur à quartz contrôlée par un phénomène de résonance atomique. C'est l'instrument de mesure du temps le plus précis. Depuis 1967, c'est l'horloge atomique au césium qui sert à définir la seconde, l'unité du système international.
La seconde est donc définie comme 9 192 631 770 oscillations de l'isotope de Césium 133.