二十世纪三十年代发明了更加精密的石英钟后，人们发现世界时尽管加上了极移改正（UT1），仍然是不均匀的。经研究查明，地球自转存在长期变化、不规则变化和复杂的周期变化。为了满足更高精度的实际需要，人们开始到物质的微观世界去寻找具有更稳定周期的物质运动形式用作为新的时间计量标准。于是，以物质内部原子运动的特征为基础的原子时应运而生。原子时是以秒，而不是以日为基本时间单位的。原子时秒长定义为：铯原子基态的两个超精细能级间在海平面、零磁场下跃迁辐射9192631770周所持续的时间。1967年第十三届国际计量委员会决定，把在海平面上实现的上述原子时秒规定为国际单位制时间单位。原子时起点定在1958年1月1日0时（UT），即规定在这一瞬间，原子时和世界时重合。根据这一定义，任何铯原子钟在确定起始历元后都可以提供原子时。由世界各地时间实验室用足够精确的铯原子钟导出的原子时称为地方原子时，不同的地方原子时存在着差异。世界各国的原子钟按照规定的方法进行相互比对，其数据再由专门的国际机构进行处理，求出全世界统一的原子时，称为国际原子时，简称TAI。
相对于以地球自转为基础的世界时来说，原子时是均匀的计量系统，这对于测量时间间隔非常重要，但世界时时刻反映了地球在空间的位置，这也是需要的。为兼顾这两种需要，引入了协调世界时（UTC）系统。UTC在本质上还是一种原子时，因为它的秒长规定要和原子时秒长相等，只是在时刻上，通过人工干预，尽量靠近世界时。