时间测量工具的发展，从最早的历法制定到现在的秒以下的测量，无不体现了人类科学技术的极大发展。
最古老的时间测量工具可以追溯到3500年前古埃及人发明的日晷。日晷种类繁多，有纪念碑一样的大型装置，也有地面倾斜小棍式，还有可以随手携带的小型日晷。在农牧社会，人类对时间的需求主要体现在农事的安排时间上，这一阶段，只要要求有比较准确的日历即可。提到日历，公元前2000年的玛亚人已经能够制定比较精确的日历。
而在公元前1800年，英国人制定的巨石阵等，已经可以用来确定夏至等重要的节日，从而帮助人们在正确的时间进行祭祀。
在公元前700年，巴比伦人就已经开始把一天分成24小时，每小时60分钟，每分钟60秒。这种计时方式后来传遍全世界，并一直沿用到现在。与之相对应的，人们有了进行小时等更精细时间的测量的需求。
在公元前100年，雅典出现以一天24小时为基础的机械漏刻，而公元100年，中国东汉张衡发明的二级水钟，实现了当时最为精密的时间测量，每天的误差只有40秒钟。当时，人们对时间的测量集中体现在对日历的需求，在中国元朝郭守敬制定的授时历中，对一年长度的确定误差只有26秒，是当时的最高水平。欧洲在300年后才达到相应的精度。
到了大航海时代，海上导航定位对时间提出了更高的要求，这促进了机械钟的大发展。
机械钟最关键的擒纵机构起源于我国。1094年，宋代苏颂发明水运仪象台并设计了完善的擒纵机构。到1762年，英国哈里森研制出四代航海钟，精度逐步提高，到H4（即哈利森研制出的第四代航海钟）出现后，解决了当时海上定位问题，哈里森为此获得了当时英国设立的经度奖金，使机械钟的发展提高到一个新的高度。
1928年，美国贝尔实验室研制出了第四代石英钟，每天误差只有10微秒，而直到1960年，美国惠普公司研制HP105B石英频率标准，石英钟才广泛应用起来。
到现在，时钟已经从最早的靠天计时，转变到了依靠人类自己制作的单摆、晶体振荡器等具有周期现象的东西。但这些仍然不能满足人们探索宇宙、追求极限的需求，这就促成了原子钟的研究。根据量子物理学的基本原理，原子由原子核和电子组成，电子绕原子核高速旋转。
电子有不同的旋转轨道，在不同的旋转轨道上，电子具有不同的能量，这些能量是不连续的，称为能级。电子在不同的能级之间可以跃迁，当电子从一个“能量态”跃迁至低的“能量态”时，它便会释放电磁波。这种电磁波的频率是不连续的，这也就是人们所说的共振频率。同一种原子的同一种跃迁的共振频率是一定的，例如铯133的一个共振频率为每秒9192631770赫兹。
1949年，美国国家标准局率先研制出氨分子原子钟。
到1964年，惠普公司研制出商业化的铯原子钟HP5060A，实现了铯原子钟的守时应用。1991年，HP5071A投入使用，提高了时间测量的精度，到现在，HP5071A是世界上应用最多的守时原子钟。在守时原子钟广泛应用以后，人们修改了国际上对时间的统一定义。1967年，人们将秒的定义由世界时或者历书时的长周期分割改为原子时的短周期累计。
目前我们所使用的时间是协调世界时，是根据守时原子钟计算出原子时，使用时根据世界时的观测对原子钟进行闰秒，从而形成协调世界时。
在原子时形成过程中，需要基准型原子钟对原子时的频率进行校准。国际上对基准型原子钟的研究非常重视，基准型原子钟的发展也非常迅速。
1952年，美国国家标准局研制出基准型的铯原子钟NBS1，它每经过1500万年才累计1秒的误差，后来，美国国家标准局对基准型原子钟不断改进，1998年研制的铯喷泉原子钟NIST-F1，准能确度达到了10^-15，相当于运行3000万年累计1秒误差。除了铯原子，基准型原子钟也有利用其他元素的，精度也越来越高。2001年8月，美国国家标准局研制出汞离子光钟，经过10亿年误差才能累计到1秒。
2010年2月，美国国家标准局研制铝离子钟，经过37亿年误差才能累计到1秒。目前，精度最高的是2011年日本东京大学研制的冷原子锶光钟，经过40亿年误差才能累计到1秒。
如果你认为这是精度最高的原子钟，那就错了。
这些原子钟在地面上，由于原子运动的速度比较快，原子的运动会影响到辐射光子的频率，从而导致原子钟的微小频率偏差，人们在地面使用激光等技术来冷却原子，就是为了尽量减少原子钟运动速度对光子频率的影响。在空间环境，原子处于失重状态，就更加容易冷却，这种环境下运行的原子钟能达到更高的精度。用通俗的话说，对这样的原子钟的误差，如果从宇宙开始一秒一秒的累计，一直到现在也累计不到1秒，是不是很厉害？