Gagasan penggunaan peralihan atom untuk menyukat masa mula-mula dicadangkan oleh Lord Kelvin pada tahun 1879.[1] Ini dipraktikkan dalam kaedah resonans magnet yang dibangunkan oleh Isidor Rabi pada tahun 1930-an.[2] Pada tahun 1945, Rabi menimbulkan pendapat bahawa resonans magnet alur atom boleh dijadikan asas jam.[3] Jam atom ciptaan pertama berbentuk peranti maser amonia yang dibina di Biro Piawaian Negara AS (NBS, kini NIST) pada tahun 1949. Sungguhpun tidak sejitu jam kuarza masa kini, namun ia tetap berfungsi untuk menunjuk cara konsepnya.[4] Jam atom persis yang pertama, iaitu piawaian sesium yang berdasarkan peralihan atom sesium-133 tertentu, dibina oleh Louis Essen di Makmal Fizik Negara di UK pada tahun 1955.[5] Penentukuran jam atom piawaian sesium dilakukan dengan menggunakan skala masa astronomi iaitu masa efemeris (ephemeris time, ET).[6] Ini telah membolehkan tercapainya definisi saat SI terkini yang dipersetujui antarabangsa berdasarkan masa atom. Kesamaan saat ET dengan saat SI (jam atom) disahkan berada dalam lingkungan 1 per 1010.[7] Maka saat SI mewarisi kesan keputusan pereka asal skala masa efemeris untuk menentukan kepanjangan saat ET.

Jam atom optik strontium JILA berasaskan atom neutral. Pemancaran laser biru pada atom-atom strontium ultrasejuk dalam perangkap optik menguji kecekapan pancaran cahaya terdahulu dari laser merah merangsang atom-atom tersebut. Hanya atom-atom yang kekal dalam keadaan tenaga rendah bertindak balas dengan laser biru untuk menyebabkan pendarfluor yang disaksikan di sini.[8]

Sejak mula dibangunkan pada 1950-an, jam atom selama ini berasaskan peralihan hiperhalus (gelombang mikro) dalam hidrogen-1, sesium-133, dan rubidium-87.Jam atom komersil pertama adalah Atomichron buatan National Company. Lebih 50 buah jam ini dijual dari tahun 1956 hingga 1960. Perkakas yang sangat besar dan mahal ini akhirnya memberi laluan kepada peranti yang lebih kecil dan mudah disimpan dalam rak, seperti piawaian frekuensi sesium Hewlett-Packard model 5060 yang keluar pada tahun 1964.[2]

Pada akhir 1990-an, empat faktor menyumbang kepada kemajuan besar dalam jam:[9]

• Pendinginan laser dan pemerangkapan atom
• Rongga Fabry–Pérot kehalusan tinggi untuk mengurangkan lebar garis laser
• Spektroskopi laser persis
• Penghitungan frekuensi optik yang mudah dengan sisir optik

Pada Ogos 2004, para saintis NIST menunjuk cara jam atom sekecil cip.[10] Menurut para penyelidik, jam ini dipercayai satu perseratus saiz mana-mana jam lain. Juga didakwa bahawa ia hanya memerlukan 75 mW, oleh itu sesuai untuk aplikasi pacuan bateri.