客观世界中一切活动都受到地球重力场的制约。对地球重力场的认识在经济、科学、军事等领域都具有重要意义。对地球重力场的测量可用于地球形状的研究，空间飞行器轨道的确定，地球内部与地表周围物质的分布及运动的研究等。

重力是单位质点受到地球质量的引力和随地球自转产生的离心力的合力。重力为一矢量。在不特别强调时，重力是指重力矢量的模，数值上等于重力加速度。重力测量通常采用的单位是毫伽。由于重力产生于地球的质量，地球形状与质量分布的不规则导致重力在空间的变化，地球质量的运动以及地球自转的不均匀导致重力随时间的变化。

地球重力场的数学特征可由重力位、重力、重力梯度等描述。重力位是表述地球重力场的基本元素，为引力位与离心力位之和。具有相同重力位的空间点所构成的封闭曲面称为重力等位面，又称水准面。与平均海水面最接近的重力等位面是大地水准面，它是高程起算的基准面。重力位在某个方向的导数就是重力在该方向上的分力。空间各点处的重力方向（或称铅垂线）为水准面的法线，与各点铅垂线相切的空间曲线称为重力线。重力线处处与水准面正交。重力位的二阶偏导数是重力在空间的变化率，描述了水准面和铅垂线的曲率。重力位一般用球谐函数级数形式表达：

 …（1）

式中分别为地心球坐标系中的地心向径、纬度和经度；为勒让德函数；为到地球旋转轴的垂直距离；为地球旋转角速度。

为研究地球重力场引入的参考重力场（或理论重力场），是由一个形状与质量分布规则且接近实际地球的参考地球产生的重力场。现今正常重力场采用旋转椭球的重力场，与几何大地测量的参考地球一致。椭球表面是一个正常重力场中的水准面，又称水准椭球。正常重力位可以采用球坐标系的球谐级数表示：

 …（2）

正常椭球由四个基本参数定义：椭球长半径，短半径，旋转角速度，万有引力常数与椭球总质量的乘积。正常重力场中的水准面是（正常重力位）=常数的一族旋转椭球面，正常重力线是位于子午面内向两极弯曲的平面曲线。椭球面上一点的正常重力由该点的大地坐标纬度计算：

    …（3）

式中为椭球赤道与极点处的正常重力，由定义正常椭球的参数确定。实际工作中也采用级数展开的公式计算。椭球面外部的正常重力通常是由沿高程的级数展开式计算:

       …（4）

       …（5）

式中为相对于椭球面的高度。

实际重力场与正常重力场的差异。或称异常重力场。因正常重力场是已知的，实际上是通过扰动重力场来研究实际重力场。在扰动重力场中，实际重力位与正常重力位之差为扰动（重力）位：；扰动重力矢量为实际重力与正常重力矢量之差：；与之间的空间夹角称为重力垂线偏差，通常采用子午和卯酉两个方向的分量表示。扰动重力分量及垂线偏差分别为扰动位的垂向和水平方向导数。一般情况下，扰动重力是指重力矢量与正常重力矢量模的差。一点的实际重力与参考面上相应点的正常重力之差称为重力异常，如大地水准面上的重力与沿垂线到椭球面上点处的正常重力之差，或者地面点的重力与近似地形面上相应点的正常重力之差。

当正常椭球的参数选择接近实际地球时，扰动重力场相对是小量。正常椭球的短轴与地球（平均）旋转轴重合且旋转角速度相等时，正常重力场离心力位与实际重力场中的离心力位相等，扰动位则为实际引力位于正常引力位之差，即实际地球与正常地球的质量异常产生的引力位，在地球表面外部是一调和函数。

作为地球表面外部的调和函数，扰动位满足Laplace方程：

      …（6）

或在球坐标系中的表示：

       …（7）

该微分方程的一般解是下面的球谐函数级数：

      …（8）

系数由分布在球面上的扰动重力场的观测量（如重力异常、扰动重力等）积分或由与重力场关联的卫星轨道观测解算得到。受观测信息的限制，一般只能得到有限阶数的系数。

扰动重力场的确定基于下面经典的物理大地测量边值问题：

       …（9）

式中为某一泛函算子；为边界面。

经典的边值问题是基于球面重力异常边值的Stokes问题，其解为下面的表达式：

      …（10）

          …（11）

 …（12）

该式与上面的级数解可以相互转换。为计算点与积分面元之间的球心角。

在地球重力场研究的近代理论中，进一步发展了以扰动重力为边值的Hotine问题，以及椭球为边界面的椭球边值问题和以实际地球表面为边界面的莫洛坚斯基问题，其结果通常是基于球面边值问题解的级数形式解。随着多类型重力场信息的获取，超定边值问题以及基于统计逼近理论的最小二乘配置等理论也在地球重力场研究中得到应用。

获取地球重力场信息的技术从早期的摆仪测量重力加速度，厄特沃斯扭称测量重力梯度发展到弹簧重力仪进行高精度相对重力测量和应用自由落体原理进行绝对重力测量以及采用超导重力仪测量重力变化。人造卫星上天之后，利用卫星轨道观测逐渐获得对全球重力场的精化认识。20世纪80年代之后不断利用卫星海洋测高技术获得高分率的海洋重力场，21世纪以来，采用卫星跟踪卫星和卫星重力梯度测量取得了分辨率达到几十千米的全球重力场及其时变。航空重力测量的发展也为区域重力测量提供了更有效的手段，形成了从地面、海洋、空中、空间以及时变等多维、多尺度、多方位的重力场信息获取格局。

以截断到有限阶的重力位球谐级数表达式的系数的集合称为重力场模型：

 …（13）

根据球谐函数展开的关系由全球重力场观测的信息确定各阶次的系数，或称构建重力场模型。球谐模型是以频谱叠加的方式逼近实际的重力场。低阶系数表示重力场的长波长特征，高阶系数表达重力场的短波长特征。重力场模型的最高阶次取决于重力场信息获取的分辨率。

构建地球重力场模型的真正进展是利用人造卫星获得全球重力场的观测。纯卫星测量构建的重力模型已经达到约250阶次（空间分辨率约80千米），联合地面数据的重力场模型已经达到2160阶次（空间分辨率约为10千米），由其表达的大地水准面精度为厘米。随着重力场信息的不断丰富，未来重力场模型将会有进一步发展。

地球重力场是建立和统一高程基准和研究地球形状的基础，是空间飞行器轨道确定的必要信息，区域和局部重力场是探测分析地下矿藏的手段，利用重力资料可以研究地球内部物质分布和运动，研究地球质心和轴系的变化，重力场信息也用于海面状态、冰川、洋流的研究。通过重力的变化并结合其他信息可以研究陆地水的分布及变化。作为地球固有特征，重力场分布也提供了一种辅助导航的途径等。因此地球重力场对于经济建设、科学研究和国防具有重要的意义。