Een klok waarbij de intervallen van tijd worden bepaald door verwijzing naar de frequenties uitgezonden of geabsorbeerd door het draaien van moleculen. De eerste klok van dit soort was de ammoniak klok, de moleculen van gasvormige ammoniak gebruikt om de fundamentele frequentie. Radio golven gegenereerd in een bijgevoegde circuit werden gevoed in het gas en de frequentie van het circuit aangepast totdat meter maximale absorptie van de golven van de gassen toonde; dit was de gewenste frequentie van resonantie. Een meer recent ontwikkelde klok gebruikt methaan als het gas, maar de fundamentele beginselen zijn hetzelfde. Moleculaire klokken worden vaak aangeduid als atoomklokken maar dit gebruik is onjuist. Ze ook heten masers als hun belangrijkste uitvoer is frequentie, niet tijd.