Willard Frank Libby Nobeldíjas amerikai fizikus felfedezte fel 1946-ban az atomórát. Az óra cézium atomok rezgéseinek a számlálása alapján működött. Ezek után fogadták el nemzetközi egyetértéssel az atomórák által előállított másodpercet, mint a másodperc meghatározását.
A céziummal működő atomóra gyakorlati működése:
A céziumot felhevítik, és egy légüres csőbe vezetik. Az atomok a csőben egymás mellett haladnak. Az atomok a haladásuk során egy mágneses térhez érnek, amelynek iránya merőleges az atomok haladási irányával. Ez azt eredményezi, hogy az atomok közül csak egyféle energiaállapotú atomok haladnak tovább a csőben, a többieket a mágneses tér eltéríti. A továbbhaladó atomokat mikrohullámmal gerjesztik, melynek frekvenciája igen közel van a fent megadott értékhez. Ha a gerjesztő frekvencia megegyezik a céziumatom rezonancia-frekvenciájával, akkor nagy számú atom változtatja meg az energiaállapotát. Ezután az atomok egy másik mágneses mezővel találkoznak, mely eltéríti azokat az atomokat, amelyek nem változtatták meg az energiaállapotukat, a többieket viszont átengedi. Ezek után egy érzékelő szonda következik, amibe a céziumatomok beleütköznek. Az érzékelő szonda a beléje ütköző atomok számával arányos jelet ad ki magából. Ezt a jelet visszavezetik oda, ahol a gerjesztő frekvencia értéke beállítódik, mégpedig olyan módon, hogy minél nagyobb számú atom érkezzen az érzékelőbe. Ez egyúttal azt is jelenti, hogy a beállított frekvencia pontosan megegyezik az atomok saját rezonancia-frekvenciájával.
A legjobb atomórák pontossága jelenleg a 10−16 nagyságrendben van, azaz 300 millió év alatt 1 másodpercet csúszik.