Die Laufzeitbestimmung ist das Herz der Synchronisation. Sie beruht auf dem Austausch einer Mitteilung zwischen zwei Rechnern. Hierbei werden vier Zeiten bestimmt. Die erste Absendezeit (t1), die erste Empfangszeit (t2), die zweite Absendezeit (t3) und die zweite Empfangszeit (t4). Man kann nur Zeiten vergleichen, die auf demselben Rechner gemessen wurden, weil die beiden Zeitskalen gegeneinander verschoben sind. Dennoch kann man zwei Werte bestimmen: Die Zeitdifferenz und die Laufzeit der Mitteilung im Kommunikationssystem.

Die Laufzeit d bestimmt sich zu:

d=(t4-t1)-(t3-t2)

Die Zeitdifferenz errechnet sich aus:

T=((t2+t3)-(t1+t4))/2

Bild 3 verdeutlicht die von Rechner B mit A ausgetauschten Nachrichten. Bei dieser Form des Transfers der Zeitinformation ist zu beachten, dass nur die Gesamtlaufzeit der Nachricht im Kommunikationssystem zu bestimmen ist. Es ist nicht möglich, die Hin- oder Rücklaufzeiten zu bestimmen. Das hat zur Folge, dass die Zeitdifferenz nur dann genau bestimmt werden kann, wenn die Hin- und die Rücklaufzeit gleich lang ist. Ist das nicht der Fall, so ergibt sich bei der Zeitdifferenzbestimmung ein Fehler bis zu maximal der Hälfte der Laufzeitdifferenz. Eine genaue Bestimmung wäre nur dann möglich, wenn die beiden beteiligten Rechner synchronisierte Uhren hätten.

NTP erstellt eine Statistik über die letzten acht Messungen. Aufgrund der Beobachtung, dass die kürzeste Umlaufzeit die besten Zeitdifferenzabschätzungen ergibt, kann unter Verwendung mehrerer Time-Server eine synthetische Zeitdifferenz berechnet werden, die zur Korrektur der lokalen Uhr verwendet wird. In die synthetische Zeitdifferenz gehen Faktoren wie Distanz zur Referenz und Fehlerintervall ein. Der Vorteil der Berechnung einer synthetischen Zeitdifferenz liegt darin, dass Fehler, die durch asymmetrische Nachrichtenlaufzeiten zu unterschiedlichen Time-Servern entstehen, minimiert werden, da mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht alle beteiligten Referenzzeitquellen dieselben asymmetrischen Verzögerungen in der Nachrichtenübermittlung erfahren.

NTP kann auf unterschiedlichen Systemen eingesetzt werden. Fast alle Rechnerplattformen und Betriebssysteme werden mittlerweile unterstützt. Die Software selbst ist als Quellcode im Internet auf der NTP-Hompage in der aktuellen Version 4 unter http://www.ntp.org abholbereit. Für viele Systeme existieren bereits fertig übersetzte Programme.