Os relógios atômicos não são radioativos. Eles não dependem do decaimento atômico, ao invés disso, eles possuem um movimento oscilatório que lembra um conjunto de massa/mola, como os relógios comuns.
A grande diferença entre um relógio padrão em sua casa e um relógio atômico é que a oscilação em um relógio atômico ocorre entre o núcleo de um átomo e os elétrons que circundam o núcleo. Esta oscilação não é exatamente um paralelo para a roda de equilíbrio e a pequena mola fina de um relógio de corda, mas o fato é que ambos usam oscilações para manter o acompanhamento da passagem do tempo. As freqüências de oscilação em um átomo são determinadas pela massa do núcleo e a gravidade, e a "força" eletrostática entre a carga positiva no núcleo e a nuvem de elétrons circundante, assim pode-se fazer uma analogia entre uma mola e uma massa que oscila devido a essa mola.