Spațiul inerțial este un cadru de referință față de care se măsoară accelerația sau schimbarea mișcării. Într-un cadru de referință inerțial, obiectele experimentează o mișcare relativă constantă și par a fi în repaus unul față de celălalt; aceasta definește inerția spațiului și servește drept fundal pe care este măsurată schimbarea mișcării unui obiect. Rezultatele măsurătorilor efectuate într-un cadru inerțial pot fi convertite în altul printr-un calcul matematic simplu.
O proprietate a unui cadru inerțial este că comportamentul obiectelor sale nu este supus forțelor din afara acelui cadru de referință. În fizica newtoniană, stelele fixe erau considerate cadru de referință inerțial; acum se știe că stelele nu sunt fixe, ci au propriile mișcări relative în galaxii, la fel ca galaxiile din structurile de grup mai mari. Folosirea stelelor ca și cum mișcarea lor relativă definește un spațiu inerțial introduce o mică eroare.
Un giroscop care se rotește fără accelerație de rotație își va păstra orientarea către spațiul inerțial; dacă se rotește cu o viteză constantă, va continua să îndrepte în aceeași direcție față de stelele fixe. Modificările în mișcare în raport cu orientarea giroscopului pot fi măsurate și datele utilizate pentru a calcula viteza și poziția. Aceasta este baza unui sistem de navigație inerțial (INS), care determină viteza și locația unui vehicul numai din referință la o poziție în spațiul inerțial.
Un INS constă de obicei din senzori de mișcare, cum ar fi giroscoape și accelerometre și un computer. Sistemul primește viteza și locația sa inițială, apoi calculează poziția și viteza viitoare în timp real din datele senzorului. Modificările accelerației liniare și unghiulare sunt măsurate în raport cu alinierea giroscopului la spațiul inerțial. Dincolo de condițiile sale inițiale, un INS este complet autonom și nu este supus blocajelor sau altor interferențe.
Eroarea acumulată de la măsurare și calcul tind să facă un INS mai puțin precis pe un interval de timp extins. Această deficiență a fost compensată oarecum de dispozitive mai sofisticate, cum ar fi giroscopul cu fibră optică, care se bazează pe efectul Sagnac. În acest tip de dispozitiv, laserele contrarotative produc un model de interferență din care pot fi calculate modificări ale vitezei unghiulare în raport cu o poziție în spațiul inerțial.
Pe nave, un girocompas este folosit pentru a indica Polul Nord geografic. Dispozitivul folosește proprietățile unui giroscop pentru a menține o orientare fixă față de spațiul inerțial și un pendul pentru a-l alinia cu axa de rotație a Pământului. Atâta timp cât rotorul giroscopului este paralel cu axa Pământului, nu există nici un cuplu, sau rezistență unghiulară, de la rotația Pământului. Nealinierea se auto-corectează din cauza forțelor datorate rotației planetare.