الساعة الذرية (بالإنجليزية: atomic clock)، هي ساعة تقيس الزمن من خلال مراقبة التردد الرنيني للذرات. تعتمد هذه الساعة على وجود مستويات طاقة مختلفة في الذرات، حيث ترتبط حالات الإلكترون بمستويات طاقة محددة، وعند انتقال الإلكترون بين هذه المستويات، يتفاعل مع تردد دقيق جدًا من الإشعاع الكهرومغناطيسي. تعتمد هذه الظاهرة كأساس لتعريف الثانية في النظام الدولي للوحدات:
يُستخدم هذا التعريف كأساس لنظام التوقيت الذري الدولي، الذي يتم ضبطه بواسطة شبكة من الساعات الذرية المنتشرة عالميًا. كما يعتمد التوقيت العالمي المنسق، المستخدم في تحديد الوقت المدني، على هذا التعريف، مع إضافة الثواني الكبيسة لمزامنة التوقيت مع التغيرات في دوران الأرض، بحيث لا يتجاوز الفرق ثانية واحدة. ومع ذلك، من المقرر إلغاء الثواني الكبيسة تدريجيًا بحلول عام 2035.
تتميز الساعات الذرية بدقتها العالية، مما يجعلها ضرورية في أنظمة الملاحة بالأقمار الصناعية مثل برنامج غاليليو الأوروبي ونظام تحديد المواقع العالمي الأمريكي. تُعد دقة قياس الزمن في هذه الساعات ضرورية لأن أي خطأ بسيط في قياس الزمن يؤدي إلى خطأ في حساب المسافة عند ضرب الزمن بسرعة الضوء. فعلى سبيل المثال، خطأ زمني مقداره نانوثانية واحدة (أي 10⁻⁹ ثانية) يعادل خطأً في تحديد المسافة بحوالي 30 سنتيمتراً، مما يؤدي إلى خطأ مماثل في تحديد الموقع.
تعتمد الساعات الذرية الأكثر شيوعًا على ذرات السيزيوم التي يتم تبريدها إلى درجات حرارة تقترب من الصفر المطلق. المعيار الأساسي للوقت في الولايات المتحدة هو ساعة نافورة السيزيوم (NIST-F2)، التابعة للمعهد الوطني للمعايير والتقنية (NIST)، والتي تقيس الزمن بدرجة عدم يقين تبلغ ثانية واحدة في 300 مليون سنة (نسبة عدم اليقين 10⁻¹⁶).وقد بدأ تشغيلها رسميًا في 3 أبريل 2014.