天文观测和时间计量的主要工具，叫天文时计,又称天文钟。十七世纪开始使用的天文时计主要是天文摆钟。二十世纪二十年代末出现了石英钟。五十年代又出现了原子钟。原子钟不仅是一种天文观测的工具，而且是原子时计量的标准。
天文摆钟1656～1657年，惠更斯根据伽利略发现摆的等时性原理，发明了摆钟。摆钟不仅为天文观测提供了方便，而且成为守时工具。摆钟的最大优点是，在一定的摆幅内摆动周期只与摆长有关。天文摆钟都用秒摆，摆的长度为990毫米。摆长变化0.025毫米时，每天钟的速率变化为1秒。这相当于温度变化2.2℃时金属摆杆的长度变化。摆的摆动动力在早期用挂锤的重力，后来用电能。保持摆长恒定的方法是用补偿摆，即用温度系数小的摆杆（如铟钢、石英等），并将钟安放在恒温室内。
最精确的天文摆钟为1924年出现的雪特摆钟，它由两个分离的摆钟（子钟和母钟）组成。子钟受母钟控制，并与母钟同步，指示时刻（时、分、秒）；母钟则置于低气压金属筒内以减少摆的阻力。每半分钟有一个脉冲能量加给母钟的摆，以维持摆动。摆杆和摆锤均用铟钢制造。通常把母钟放在恒温室内，每天的误差为千分之几秒。
石英钟1929年，出现了石英钟，经过不断改进，精度大为提高，到五十年代初期已完全代替了天文摆钟。目前，高精度石英钟误差已达到几十年不大于一秒。石英钟的核心部件是一个利用石英的压电效应原理制成的晶体振荡源。晶体悬挂在保温的绝热盒内。晶体振荡的频率非常稳定，频率的变化主要取决于温度、气压和电路电压的变化。石英钟的振荡频率多为5.0兆赫和2.5兆赫。用分频电路将很高的振荡频率分为100千赫、1千赫及秒脉冲，最后用同步马达带动钟面或用数字电路推动数字钟面。
原子钟利用能量状态经过选择的原子，在微波谐振腔中进行量子跃迁，从而获得相应能级间跃迁所发射或吸收的电磁波的固有频率，根据这种原理制成的钟称为原子钟。1949年，美国国家标准局利用氨的吸收谱线制成了氨分子钟，这是最早出现的一种原子钟。后来美国和苏联又分别利用氨的发射谱线制成了脉泽型氨分子钟。由于氨分子谱线中心杂乱，氨分子钟不能成为计量时间和频率的标准，逐渐被淘汰。1955年，英国的埃森等人首先制成基于铯的基态的超精细能级跃迁的铯原子钟。它的出现，使时间频率计量精度产生了一个飞跃。此后氢原子钟、铷原子钟等相继出现，发展非常迅速。1967年起，以铯原子钟的跃迁频率为基础，规定了原子时的秒长，成为目前时间计量的标准。
原子钟通常由原子频标、晶体振荡器伺服电路和石英钟构成。它是利用微观系统原子（或分子）固有的某些特性作为基础，因而具有迄今为止已知的任何时计都无可比拟的优点。它有极高的准确度和稳定度；有极好的复制性，即一个原子钟从一次开机到下一次开机，或一个原子钟与另一个原子钟所指示的时间或频率，几乎完全相同。
原子钟大致分为有源和无源两大类。有源原子钟主要有氨分子钟、氢原子钟和铷气泡原子激射器钟等。无源原子钟主要有铯原子钟、铊原子钟、氧化钡分子钟和铷气泡标准钟等。在这些原子钟中，铯、铷、氢等三种
原子钟是现代最准确、最稳定的时间和频率的标准，由原子钟提供的原子时，已成为三大物理量之一的时间的基准。目前，原子钟正向高度可靠性、小型化、多用化方向发展，已出现某些新品种，如可变形大储存泡氢原子钟、氢自由束原子钟、铷束原子钟、离子储存原子钟、激光照射碘分子束吸收原子钟以及激光照射甲烷的饱和吸收原子钟等。
原子钟由于准确度和稳定度很高，而得到广泛的应用。对于人造卫星和导弹的制导、空间跟踪、数字通讯、甚长基线射电干涉技术、相对论效应的验证、地球自转的不均匀性的研究、基本物理量的定义和测量、无线电波的传递速度的测量以及电离层研究等方面，原子钟都是一种重要的仪器。