玩过陀螺的人都知道，陀螺在高速自由旋转时，它的旋转轴的指向是稳定不变的。陀螺仪就是根据这个原理制成的一种仪器，用于测量运动物体的角度、角速度和角加速度。
陀螺仪最早的应用是导航，起着与指南针一样的作用。导航陀螺仪旋转轴的稳定指向是靠高速旋转的陀螺的离心惯性维持的，就像指南针维持指向南北靠地磁维持一样。故称这种导航为惯性导航。
因为陀螺仪的指向可以任意设定，而不像指南针只是固定指向地球的南北磁极，所以后来陀螺仪的应用就拓展开来。凡是需要测量运动物体的角度、角速度和角加速度，都可以运用陀螺仪进行。最典型的应用就是三轴陀螺仪，用三个陀螺仪分别指向空间的X轴、Y轴和Z轴，测量飞行器的偏航、横滚和俯仰三个方向的角度参数，作为飞行器姿态调整和航行控制的依据，从而通过飞控系统对飞行器实施正确的控制。这个控制可以是人工的，也可以是计算机控制的无人自主飞行。
