Istnieją różne typy zegarów atomowych, jednak zasada działania każdego z nich pozostaje taka sama. Główna różnica związana jest z zastosowanym elementem i sposobami wykrywania zmian poziomu energii. Różne typy zegarów atomowych obejmują:
Cezowe zegary atomowe wykorzystują wiązkę atomów cezu. Zegar oddziela atomy cezu o różnych poziomach energii za pomocą pola magnetycznego.
Wodorowe zegary atomowe utrzymują atomy wodoru na wymaganym poziomie energii w pojemniku o ściankach ze specjalnego materiału, dzięki czemu atomy nie tracą zbyt szybko swojego wyższego stanu energetycznego.
Rubidowe zegary atomowe, najprostsze i najbardziej kompaktowe ze wszystkich, wykorzystują szklane ogniwo z gazowego rubidu, które zmienia absorpcję światła przy optycznej częstotliwości rubidu, gdy otaczająca częstotliwość mikrofal jest odpowiednia.
Najdokładniejsze dostępne obecnie zegary atomowe wykorzystują atom cezu oraz normalne pola magnetyczne i detektory. Ponadto atomy cezu zapobiegają przemieszczaniu się tam i z powrotem za pomocą wiązek lasera, redukując niewielkie zmiany częstotliwości spowodowane efektem Dopplera.
