Rdzeniem zegara kwarcowego jest kryształ kwarcu. Zasada działania kryształu kwarcu polega na wykorzystaniu odwrotnego efektu piezoelektrycznego do wytworzenia pola elektrycznego, które powoduje wibrację kryształu, co powoduje reakcję mechaniczną. Ponieważ natężenie pola elektrycznego generowanego przez kryształ kwarcu jest bardzo małe, do spowodowania jego odkształcenia potrzebne jest jedynie słabe zewnętrzne pole elektryczne. Ta cecha sprawia, że działanie mechaniczne zegara kwarcowego jest bardziej stabilne.
Kryształy kwarcu mają także szczególnie niezwykłą właściwość: gdy do obu stron zostanie jednocześnie przyłożony prąd dodatni i ujemny, strona, przez którą płynie prąd ujemny, wygnie się w kształt litery U-. Jeśli dodatnie i ujemne prądy zostaną naprzemiennie przyłożone do obu stron kryształu kwarcu w regularnych odstępach czasu, kryształ będzie oscylował, a zegar będzie mierzony w oparciu o tę częstotliwość oscylacji.
