Żyroskop jest szybko obracającym się krążkiem ("bąkiem"), który dopóki się obraca, dopóty stara się zachować położenie swojej osi. Zjawisko to wykorzystywano od dawna w konstrukcji żyroskopowych przyrządów pilotażowych. Są one przodkami dzisiejszych bezwładnościowych systemów nawigacyjnych.
Zespoły żyroskopów używane do przestrzennego pomiaru obrotu składają się z trzech żyroskopów o osiach ustawionych przestrzennie pod kątem 90 stopni. Takie ustawienie nazywamy układem sferycznym.

W bezwładnościowych układach nawigacyjnych stosuje się układy kardanowe, w których platforma żyroskopowa jest zawieszona na przegubie Cardana, lub sztywne, nieruchome względem konstrukcji statku powietrznego.

W układach kardanowych żyroskopy zmieniają swoje położenie w czasie manewrów samolotu; obracają sie względem struktury zachowując stałą orientację względem Ziemi. Można wśród nich wyodrębnić trzy zasadnicze typy: układy geometryczne, półanalityczne i analityczne.
W układzie geometycznym żyroskopy i akcelerometry są montowane rozdzielnie. W starszych konstrukcjach akcelerometry były zamontowane sztywno, tak że mierzyły przyspieszenia w osiach kadłuba. W typowych konstrukcjach obrót platformy z żyroskopami steruje położeniem platformy akcelerometrów, co pozwala na utrzymanie jej osi równolegle do powierzchni Ziemi.
W układach półanalitycznym i analitycznym akcelerometry są zamontowane na platformie żyroskopów. Różnica między nimi polega na tym, że układ analityczny jest orientowany według płaszczyzny wybranego koła wielkiego. Natomiast prostszy układ półanalityczny "pamięta" lokalną płaszczyznę horyzontalną w punkcie startu.

Układy kardanowe są bardzo dokładne, ale relatywnie duże i ciężkie. Poza tym istnieje możliwość blokowania się zawieszenia w czasie wykonywania akrobacji (tzw. błąd Cardana). Istnieją co prawda zawieszenia nie blokujące się (z dodatkowymi ramami o osiach obrotu pod kątem 45 stopni do zasadniczych), ale są drogie i cięzkie.

Łożyska żyroskopów sztywnych (bezprzegubowych) są połączone ze strukturą płatowca poprzez czujniki nacisku. Wychylanie osi żyroskopu powoduje zmianę sił, działających na czujniki. Zmiany te są rejestrowane i przeliczane na kąt obrotu przez przelicznik (komputer analogowy lub cyfrowy). Ze względu na konieczność przeprowadzania dużej ilości obliczeń w czasie rzeczywistym przeliczniki dla układów bezkardanowych muszą mieć pokaźną moc obliczeniową. Głównymi zaletami żyroskopów sztywnych jest niewielki ciężar i brak zjawiska blokowania, polegającego na unieruchomieniu platformy w czasie gwałtownego manewru, wykonanego dokładnie w płaszczyźnie jednej z osi przegubu.

Największym źródłem błędów żyroskopów mechanicznych jest zjawisko precesji: przy gwałtownym wychyleniu oś żyroskopu zaczyna wykonywać koliste oscylacje w kierunku wektora momentu, który wywołał wychylenie. W konstrukcjach z przegubem Cardana niweluje się precesję przy pomocy silniczków korekcyjnych (tzw. momentowych).
Poważną konkurencją dla żyroskopów klasycznych są żyroskopy optyczne i czujniki obrotu oparte na zjawisku zmiany amplitudy wychyleń drgających widełek.