El reloj atómico de rubidio se compone principalmente de varios módulos, incluyendo un circuito de microcomputadora de un solo chip, un servocircuito, un circuito multiplicador de frecuencia de microondas, una modulación de frecuencia y un circuito integrado multiplicador de frecuencia. El estándar de frecuencia de rubidio es una frecuencia atómica pasiva que utiliza la transición entre los niveles de energía hiperfinos del estado fundamental, y la frecuencia de transición correspondiente es de 6834,682614 MHz. La transición atómica actúa como un discriminador de frecuencia para la señal de microondas y genera una señal de error. La frecuencia de la señal de excitación está sincronizada con la frecuencia de transición atómica mediante el oscilador de cristal servo de bucle de enganche de fase, de modo que la frecuencia de la señal de excitación está sincronizada con la frecuencia de transición atómica, logrando una alta estabilidad y precisión en la frecuencia de salida del oscilador de cristal.

El principio básico de funcionamiento del reloj de rubidio es similar al del reloj de cesio, y ambos utilizan como referencia la frecuencia de resonancia de la transición de nivel de energía. Los átomos absorben o liberan energía electromagnética según la diferencia de energía entre las diferentes capas electrónicas que rodean el núcleo. En este caso, la energía electromagnética es discontinua. Cuando un átomo pasa de un estado de alta energía a uno de baja, libera ondas electromagnéticas. La frecuencia característica de esta onda electromagnética es fija, lo que se denomina frecuencia de resonancia. Al utilizar esta frecuencia de resonancia como metrónomo, los relojes atómicos pueden medir el tiempo. Los relojes de rubidio utilizan bombeo óptico para seleccionar átomos, y la detección de la resonancia se logra mediante un fotodetector (fotocélula) que mide la atenuación de la transmisión de la luz de bombeo (que estimula las transiciones atómicas) a través de la cavidad resonante. Cuando la frecuencia de microondas alcanza el pico de probabilidad de transición, la onda de luz transmitida se reduce entre un 1 % y un 10 %. Los relojes de rubidio son pequeños, tienen un tiempo de calentamiento corto y una tasa de envejecimiento a largo plazo de 2×10⁻⁴/año. Si se aumenta el tamaño para mejorar los parámetros de rendimiento, un reloj de rubidio del mismo tamaño que uno de cesio tendrá un rendimiento prácticamente igual.