GPS系统本身最初是用作军事工具，但是对原子钟的基础研究则在第二次世界大战之前就开始了。当时，科学家发现用于研究基本原子结构的高精度技术也可用于制造原子钟。他们的这些灵感与发展超精度导航技术无关，而与制造精密的时钟以探索时间本质相关—特别是爱因斯坦重力理论中所预言的关于重力对时间的影响以及所谓人们所知道的重力红移现象。
　　直到二十年代末，最准确的时钟还必须依靠钟摆有规律的摆动。后来它们便被依靠石英水晶有规律振动的钟表所替代，后者的误差小于每天千分之一秒。然而即便是这样的准确度也无法满足科学家研究爱因斯坦重力理论的需要。按照爱因斯坦的观点，重力场将引起空间和时间的扭曲。因此，他预言一台位于珠穆朗玛峰上的时钟将比位于海平面的一台同样的时钟快十万分之三秒。唯一能够作到如此精确度量的方法就是控制一台靠原子本身细微振动来制作的时钟。
　　1938年拉比在哥伦比亚大学发明了分子束磁共振技术。他和他的同事们将磁共振原理应用到对原子和分子的基础研究上。他们还讨论了用于度量重力红移现象的原子钟的可行性。拉比于1944年由于其卓越贡献被授予诺贝尔奖。
　　1949 诺曼•兰姆赛在哈佛大学发现了分离振荡场的共振原理，为此而获得1989年诺贝尔奖。杰罗德•扎奇里亚斯建议采用诺曼•兰姆赛发现的原理制造铯原子束钟，以此来精确度量重力红移现象。
　　1949 国家标准局采用基于氨气微波吸收的原子钟。铯原子束原子钟的工作已开始。
　　1954 哥伦比亚大学的查尔斯•唐斯首次表演微波激射实验，从氨分子中发射辐射。唐斯与他人共同获得1964年诺贝尔物理学奖。
　　1954-1956 扎奇里亚斯与松下公司制作出第一个自足式便携原子钟，称作“Atomichron”。
　　1957 苏联在十月发射人造地球卫星。麻省理工学院的林肯实验室和约翰霍普金斯应用物理学实验室共同开始卫星跟踪项目。海军的传输系统实验于十二月在应用物理学实验室开始进行。
　　1959 阿尔弗雷德•卡斯勒和让•布罗塞尔分别在巴黎和麻省理工学院工作，二人共同发现了光泵激的原理。卡斯勒由于该成就获得诺贝尔奖。
　　1960-1965 光泵激铷钟被采用。铯频率标准被大多数国际时间标准实验室所采用。
　　1960 兰姆赛及其学生克莱普那和古登伯格在哈佛大学进行微波激射实验项目。
　　1964-1965 在北极星潜艇上第一次通过传输系统卫星进行位置修正。
　　1967 传输系统用于民用目的。
　　1961 航空公司开始了GPS系统的发展工作，用于满足军事需要。
　　1968 防御性导航卫星系统的标准被制定出来。
　　1973 国防部批准了GPS系统的Navstar卫星制造计划。
　　1974 Timation项目的第一颗GPS实验卫星发射升空，以检验铷钟和时间传播技术。
　　1977 包含了后来GPS卫星的基本特征如携带第一批铯钟的实验型卫星发射升空。
　　1978-1985 洛克威尔国际公司制造的十颗GPS系统原型卫星发射升空。
　　1996 白宫宣布每一个人都将可以使用高精度的GPS系统。
　　1989-1993 24颗卫星以每年6颗的速度发射升空。最后一颗卫星于1993年6月发射升空。