現象解釋
高速旋轉的物體的旋轉軸，對于改變其方向的外力作用有趨向于鉛直方向的傾向。而且，旋轉物體在橫向傾斜時，重力會向增加傾斜的方向作用，而軸則向垂直方向運動，就産生了搖頭的運動（歲差運動）。當陀螺經緯儀的陀螺旋轉軸以水平軸旋轉時，由于地球的旋轉而受到鉛直方向旋轉力，陀螺的旋轉體向水平面内的子午線方向産生歲差運動。當軸平行于子午線而靜止時可加以應用。
陀螺儀基本上就是運用物體高速旋轉時，角動量很大，旋轉軸會一直穩定指向一個方向的性質，所制造出來的定向儀器。不過它必需轉得夠快，或者慣量夠大(也可以說是角動量要夠大)。不然，隻要一個很小的力矩，就會嚴重影響到它的穩定性。
工作原理
我們不用一個完整的輪框，我們用四個質點ABCD來表示邊上的區域，這個邊對于用圖來解釋陀螺儀的工作原理是很重要的。軸的底部被托住靜止但是能夠各個方向旋轉。當一個傾斜力作用在頂部的軸上的時候，質點A向上運動，質點C則向下運動，如其中的子圖1。因為陀螺儀是順時針旋轉，在旋轉90度角之後，質點A将會到達質點B的位置。CD兩個質點的情況也是一樣的。子圖2中質點A當處于如圖的90度位置的時候會繼續向上運動，質點C也繼續向下。AC質點的組合将導緻軸在子圖2所示的運動平面内運動。一個陀螺儀的軸在一個合适的角度上旋轉，在這種情況下，如果陀螺儀逆時針旋轉，軸将會在運動平面上向左運動。如果在順時針的情況中，傾斜力是一個推力而不是拉力的話，運動将會向左發生。在子圖3中，當陀螺儀旋轉了另一個90度的時候，質點C在質點A受力之前的位置。C質點的向下運動受到了傾斜力的阻礙并且軸不能在傾斜力平面上運動。傾斜力推軸的力量越大，當邊緣旋轉大約180度時，另一側的邊緣推動軸向回運動。
實際上，軸在這個情況下将會在傾斜力的平面上旋轉。軸之所以會旋轉是因為質點AC在向上和向下運動的一些能量用盡導緻軸在運動平面内運動。當質點AC最後旋轉到大緻上相反的位置上時，傾斜力比向上和向下的阻礙運動的力要大。陀螺儀運動的特性是它拐彎的時候能夠保持單軌設備的直上直下。比如說，有必要的話，消防汽缸壓在一個很重的陀螺儀的軸上，就能保持其穩定。陀螺儀和萬向節結合起來組成的萬向節陀螺儀則是實際中最經常應用的。
從上面我們可以看到，陀螺儀的關鍵是軸的不變性。這樣的特性，看起來雖然簡單，但能使用在許多不同的應用上。制導武器就是陀螺儀的最關鍵應用之一。在慣性制導中，陀螺儀是控制武器飛行姿态的重要部件，在劇烈變化的環境中，沒有精心設計的陀螺儀用來保證穩定性和準确性，再好的控制規律也無法命中目标。除了制導之外，陀螺儀還能夠應用在其他的尖端的科技上。比如說，著名的哈勃天文望遠鏡的3個遙感裝置中每個都裝有一個陀螺儀和一個備份。3個工作的陀螺儀是保證望遠鏡指向所必不可少的。
陀螺儀正是因為它的平衡的特性，已經成為了飛行設備中關鍵的部件，從航模、制導武器、導彈、衛星、天文望遠鏡，無處沒有它的身影，陀螺儀默默的工作保證了這些飛行設備能按照指定的方式去工作。
應用實例
隧道中心線測量
在隧道等挖掘工程中，坑内的中心線測量一般采用難以保證精度的長距離導線。特别是進行盾構挖掘（shield tunnel）的情況，從立坑的短基準中心線出發必須有很高的測角精度和移站精度，測量中還要經常進行地面和地下的對應檢查，以确保測量的精度。特别是在密集的城市地區，不可能進行過多的檢測作業而遇到困難。如果使用陀螺經緯儀可以得到絕對高精度的方位基準，而且可減少耗費很高的檢測作業（檢查點最少），是一種效率很高的中心線測量方法。
通視障礙時的方向角獲取
當有通視障礙，不能從已知點取得方向角時，可以采用天文測量或陀螺經緯儀測量的方法獲取方向角（根據建設省測量規範）。與天文測量比較，陀螺經緯儀測量的方法有很多優越性：對天氣的依賴少、雲的多少無關、無須複雜的天文計算、在現場可以得到任意測線的方向角而容易計算閉合差。
日影計算所需的真北測定
在城市或近郊地區對高層建築有日照或日影條件的高度限制。在建築申請時，要附加日影圖。此日影圖是指，在冬至的真太陽時的8點到16點為基準，進行為了計算、圖面繪制所需要的高精度真北方向測定。使用陀螺經緯儀測量可以獲得不受天氣、時間影響的真北測量。
