Sistem navigasi inersial adalah sistem navigasi berbasiskan seperangkat sensor yang dikenal dengan nama sensor inersial (inertial sensor), yaitu accelerometer dan gyroscope/gyro.

Accelerometer mengukur gerak translasi dan gyro mengukur gerak rotasi dari platform di mana sensor ini dipasang. Untuk mengukur gerak benda lengkap pada 6 derajat kebebasan (degree-of-freedom/DOF: 3 translasi dan 3 rotasi), dibutuhkan sepasang triad accelerometer dan triad gyroscope. Dalam satu paket, gabungan sensor ini dikenal dengan istilah inertial measurement unit (IMU). Berdasarkan cara penginderaannya (sensing characteristic) ada 2 jenis pemasangan IMU: stable-platform system dan strapdown system. Stable-platform system menggunakan prinsip rigidity-in-space atau kekekalan momentum sudut. IMU pada stable-platform system tidak berubah orientasinya terhadap kerangka inersial (misalnya bumi - abaikan revolusi bumi) walaupun kendaraan di mana sensor ini dipasang berubah orientasi nya (misalnya melakukan gerakan pitch, yaw ataupun roll). Karena sulitnya perawatan (lubrikasi, dll) dan besarnya ukuran dan putaran sensor yang diperlukan untuk membuat stable-platform, walaupun sangat akurat, sudah sangat jarang digunakan (terutama untuk weight-sensitive application seperti pesawat terbang). Tapi sistem ini masih sering ditemukan pada kapal laut dan submarine (kapal selam). Strapdown system berlawanan dengan stable-platform system karena sensor ini ikut berputar dengan kendaraan di mana sensornya dipasang. Dengan demikian, sensor pada strapdown system selalu mengukur rotasi dan translasi pada kerangka kendaraan.

Gyroscope adalah sensor yang digunakan untuk mengukur rotasi. Berdasarkan jenis output-nya, ada 2 jenis gyroscope: rate-integrating gyro dan rate gyro. Rate-integrating gyro mengeluarkan perubahan sudut (menghitung seberapa banyak kendaraan sudah berputar), dan rate gyro menghitung seberapa cepat kendaraan berputar. Kedua-duanya menghitung rotasi kendaraan. Berdasarkan cara mengukur rotasi, ada beberapa kategori gyro: mechanical gyro (menggunakan flywheel, sudah tidak populer), ring laser gyro (RLG - dominasi oleh Honeywell), fiber optic gyro (FOG - dominasi Northrop Grumann, dulu Litton), MEMS/Solid-state gyro. Harga gyro mulai dari puluhan ribu dollar sampai satu dollar per axis, semuanya tergantung akurasi yang dibutuhkan.

Accelerometer sebenarnya salah nama. Accelerometer tidak mengukur akselerasi/percepatan, tetapi mengukur specific force atau gaya per satuan massa. Ini perlu diingat karena setiap benda mengalami percepatan gravitasi bumi walaupun tidak bergerak sama sekali; accelerometer mengukur juga percepatan gravitasi bumi sehingga dalam kalkulasinya, gravitasi adalah komponen yang harus dikompensasi. Dalam sistem navigasi inersial, accelerometer umumnya jauh lebih murah dibandingkan gyro karena perkembangannya juga jauh lebih cepat daripada teknologi gyro.

Sistem navigasi inersial (INS) adalah suatu sistem yang terdiri dari sensor inersial (IMU) dan seperangkat komputer yang menghitung posisi, kecepatan (groundspeed), dan orientasi (attitude) dari kendaraan (misalnya pesawat terbang). INS menggunakan prinsip hukum kedua Newton untuk menghitung ketiga besaran tersebut. Artinya, kecepatan diperoleh dengan menghitung integral dari percepatan, posisi dihitung dengan menghitung integral kecepatan. Karena pada dasarnya proses menghitung integral adalah proses penjumlahan, error yang sangat kecil akan terakumulasi menjadi besar setelah melakukan proses ini untuk jangka waktu yang sangat panjang.
Berdasarkan tingkat akurasinya, berikut ini adalah klasifikasi inertial navigation system:

1. Strategic grade: Dipakai di pesawat luar angkasa ataupun submarine, error < 100 ft setelah 1 jam.
2. Navigation grade: Dipakai di pesawat komersial, error < 1 nm setelah 1 jam.
3. Tactical grade: Dipakai di missile, smart weapon, error < 10 nm setelah 1 jam.
4. Automotive/consumer grade: Sensor murah, dipakai di mobil, robot, dll, error pada level 100 nm setelah 1 jam.

Oleh karena proses integral memerlukan initial conditions (nilai awal), setiap sistem yang menggunakan tenologi inersial dimulai dengan fase yang dikenal sebagai alignment. Proses ini memasukkan nilai awal untuk posisi, kecepatan dan orientasi dari pesawat. Pada proses alignment ini, biasanya pesawat dalam kondisi statik (diam) sehingga nilai untuk kecepatan awal adalah nol.

Nilai awal untuk lokasi didapat dari gate, koordinat yang sudah di-survey. Proses penentuan orientasi awal dibagi menjadi 2 tahap: levelling dan gyrocompassing.

Levelling menggunakan accelerometer untuk menentukan posisi level (datar terhadap horizon) dengan menggunakan komponen gravitasi. Proses levelling menghitung pitch dan roll pesawat.

Gyrocompassing menggunakan komponen rotasi bumi untuk menghitung true heading dari pesawat. Hanya INS dengan tactical grade ke atas yang bisa melakukan proses gyrocompassing. Proses alignment dibagi menjadi 2 yang dikenal sebagai: coarse alignment dan fine alignment (kurang lebih sekitar 15 menit). Fine alignment menggunakan filter untuk menghitung orientasi pesawat dengan akurat.