Le projet PHARAO a été initié dans le cadre du programme scientifique de Physique Fondamentale du CNES. En Octobre 1993, une des principales recommandations du Séminaire de Prospective Scientifique, qui s'est tenue à Saint-Malo, était de supporter et développer des expériences qui seraient des étapes nécessaires au projet SORT (Solar Orbit Relativity Test). SORT consiste en deux satellites à traînée compensée sur la même orbite solaire, passant derrière le soleil et ayant à bord des horloges très précises et stables. Le but de cette future mission est de mesurer la déviation gravitationnelle et le retard gravitationnel de la lumière passant près du soleil (effet Shapiro), autour de l'occultation, menant en particulier à une détermination du paramètre post-Newtonien "g". Cet objectif a mené au développement de l'horloge à atomes froids, PHARAO.

Les principaux éléments à l'origine du projet PHARAO sont :

le succès de la méthode de refroidissement et de piégeage des atomes de césium par laser au Laboratoire Kastler-Brossel (LKB) de l'Ecole Normale Supérieure de Paris (ENS), avec le support du CNES dans le cadre du programme scientifique depuis 1990 ;
l'application de cette méthode à un nouveau type d'horloge appelée fontaine atomique ;
L'avantage de l'environnement en micropesanteur dans l'augmentation des performances de l'horloge ;
la nécessité des horloges atomiques ultra-précises et ultra-stables dans l'espace pour la physique fondamentale et particulièrement pour tester les effets prédis par la Relativité Générale.

PHARAO est une étape majeure dans la recherche et les applications liées à la physique fondamentale :

Métrologie par l'amélioration de la précision des horloges atomiques,
Science Fondamentale par les tests dans l'espace, bénéficiant de la micropesanteur, des lois de la physique dans un domaine non accessible au sol,
Technologie par le développement d'une nouvelle génération d'horloges spatiales et l'ouverture de technologies pour des expériences dans d'autres domaines utilisant le refroidissement et la manipulation d'atomes.

Néanmoins faire voler PHARAO est un vrai défi en raison de la complexité des technologies variées tout juste sorties de leurs laboratoires d'origine. Aujourd'hui, l'instrument PHARAO finit sa qualification. Tous ses sous-ensembles sont livrés et intégrés dans le Modèle d'Ingénierie (EM : Engineering Model) complet depuis fin 2006. Chaque jour au CNES l'équipe PHARAO utilise des atomes froids pour évaluer les performances de l'EM et pour préparer le Modèle de Vol (FM : Flight Model).