地球自转运动取决于惯量张量及外力矩作用，其动力学规律由欧拉-刘维尔动力学方程描述，称为欧拉-刘维尔动力学方程，或简称地球自转动力学方程。

惯量张量取决于地球系统密度分布。由于地球本身是非常复杂的动力系统，存在各种动力源驱动的物质迁移，加之地球的分层物性结构（液态内核、固态外核及黏弹地幔）以及各层之间的相互耦合作用（包括电磁耦合、黏滞耦合、引力耦合、核幔地形耦合等），地球自转动力学所包含的物理学内涵非常丰富，其求解也因涉及非线性而非常复杂。地球内部的任何动力学变化均可通过地球自转方程的解表现出来。反过来，通过比对理论预测与实际观测结果，可约束地球内部相关动力学参数，揭示地球内部相关动力学机理。

地球自转主要研究地球自转轴指向及自转速率的变化。自转角速率的变化导致日长变化，而自转轴在惯性参考系中的位置变化表现为进动和章动，在地固参考系中的位置变化则称为极移。地球自转速率（或日长）、极移以及章动通常称为地球自转参数，它们是联系惯性参考系与地固参考系的重要参数。在极移中，存在一个周期大约430天的项，称为钱德勒摆动，其调制机理是科学难题。在日长变化中，十年尺度日长变化机理，也是科学难题。

描述地球自转的最广义的方程是三轴三层地球自转动力学方程，其中涉及地球分层模型、各圈层之间耦合力矩（包括电磁耦合、引力耦合、地形耦合等）的精确表述等，需要采用数值法求解，是国际地球自转领域的前沿研究主题。