Рубидиевые атомные часы в основном состоят из нескольких модулей, включая однокристальную микрокомпьютерную схему, сервосхему, схему умножения микроволновой частоты, частотную модуляцию и интегральную схему умножения частоты. Рубидиевый стандарт частоты представляет собой пассивную атомную частоту, которая использует переход между уровнями энергии сверхтонкого основного состояния, а соответствующая частота перехода составляет 6834,682614 МГц. Атомный переход действует как частотная дискриминация для микроволнового сигнала и генерирует сигнал ошибки. Частота возбуждающего сигнала синхронизирована с частотой атомного перехода через фазовый автоподстроечный кварцевый генератор, так что частота возбуждающего сигнала синхронизирована с частотой атомного перехода, достигая высокой стабильности и точности выходной частоты кварцевого генератора.

Основной принцип работы рубидиевых часов аналогичен принципу работы цезиевых часов, и оба используют резонансную частоту перехода энергетического уровня в качестве опорной. Атомы поглощают или выделяют электромагнитную энергию в соответствии с разницей энергий различных электронных слоев, окружающих ядро. Электромагнитная энергия здесь прерывиста. Когда атом переходит из высокого «энергетического состояния» в низкое «энергетическое состояние», он выделяет электромагнитные волны. Характерная частота этой электромагнитной волны фиксирована, что и называется резонансной частотой. Используя эту резонансную частоту в качестве метронома, атомные часы могут измерять время. Рубидиевые часы используют оптическую накачку для выбора атомов, а обнаружение резонанса достигается с помощью фотодетектора (фотоэлемента) для измерения затухания передачи накачиваемого света (стимулирующего атомные переходы) через резонансную полость. Когда микроволновая частота находится на пике вероятности перехода, прошедшая световая волна уменьшается примерно на 1–10%. Рубидиевые часы имеют небольшой размер, короткое время разогрева и долгосрочную скорость старения 2×10-10/год. Если размер увеличить для улучшения параметров производительности, рубидиевые часы того же размера, что и цезиевые часы, будут иметь почти такую же производительность, как цезиевые часы.