לא כל שעון אטומי מראה את השעה. רוב המכשירים המכונים "שעון אטומי" מייצרים רק תדר כלשהו שדיוקו גבוה (שונותו נמוכה). הואיל והתדר ידוע, ניתן למנות את מספר המחזורים באות השעון וכך לעדכן את השעה. למשל, אם השעון מייצר אות בתדר 1 מגה הרץ, הרי מדי מיליון מחזורים חולפת שנייה אחת, ויש לקדם את הזמן המוצג, בהתאם. את מניית המחזורים מבצע מונה מתאים. כך למשל, אם אות השעון הוא גל מרובע, קל למנות את המחזורים על ידי ספירת מספר הפעמים שבהן האות חוצה את האפס.

שעונים אטומיים מסתמכים על תהודה אטומית, שיוצרת אות מחזורי שאותו מודד מונה (counter). השעונים האטומיים הראשונים התבססו על מייזרים (מכשירים המשתמשים בקרינה כדי להגביר גלי מיקרו). כיום השעונים האטומיים המתקדמים מבוססים על מערכות מתקדמות ומדויקות יותר, הכוללות אטומים "קרים" ועל מקורות אטומיים. מכונים לאומיים לתקנים מגיעים לסטיית שעון של פחות מ-10^-9 שניות (ננו-שנייה) ביום. השעונים מקיימים סקאלת זמן רציפה, הנקראת זמן אטומי בינלאומי (International Atomic Time) (TAI). לשימוש אזרחי קיימת סקאלה נוספת UTC Coordinated Universal Time (זמן אוניברסלי מתואם). UTC נגזר מ-TAI, אך מסונכרן עם מעבר הימים והלילות לפי תצפיות אסטרונומיות.