牛顿第一定律可表述为：没有物理力作用时，物体保持静止或作匀速直线运动。这里强调的力是“物理力”而不是虚拟的“惯性力”。在非惯性系里，尽管没有物理力的作用，惯性力也会使物体偏离静止或匀速直线的运动状态。

在牛顿力学的理论体系里，只有在惯性参考系中，牛顿运动三个定律才成立。在非惯性系里，牛顿定律需要加以修正，所以在惯性系中的力学定律形式最为简单。天体测量的基本参考系自然要选择惯性参考系。假定太阳系是孤立的天体系统，那么，以太阳系的质心为原点，坐标轴相对太阳系外遥远天体的直角坐标系是牛顿意义下的惯性系。

狭义相对论的惯性系和牛顿力学的惯性系有下列相同点：牛顿第一定律成立。力学定律具有最简单的形式，而且对所有的惯性系都相同。惯性系的四维时空平直而不弯曲。

狭义相对论的惯性系和牛顿力学的惯性系有下列不同点：真空中的光速在前者系统中为常数，与光源和惯性系的选择无关，而在后者系统中，其数值与惯性系的选择有关。在前者的各个惯性系之间，空间和时间的变换是洛伦兹变换，显示了时间和空间的相对性，而后者则是伽利略变换。牛顿力学的惯性系中没有惯性力，可以说其中没有惯性力的参考系是惯性系，但牛顿惯性系中可以有作为物理力的引力。狭义相对论的惯性系中没有惯性力，也没有引力，可以说其中没有引力和惯性力的参考系是惯性系。

广义相对论建立在等效原理之上，物体存在的四维时空是弯曲的，引力和惯性力可以并只能在局域相互抵消，所以只有局域而没有全局的惯性系。想象一个在引力场中无动力而仅受引力作用的航天器，航天员携带标准钟记录时间，三个不受力矩作用的陀螺的指向构成空间坐标轴，这就实现了一个局域惯性系。严格地说，局域惯性系的范围是数学无穷小，实际适用的范围要看引力梯度的大小和精度要求。

时空的弯曲使得不存在全局的，即大范围的惯性系，也就是无论在地球附近还是整个太阳系都无法建立整体的惯性系。这就颠覆了经典天体测量学采用惯性系为参考系的观念。国际天文学联合会（IAU）定义的地心天球参考系（GCRS）和太阳系质心天球参考系（BCRS）都不是严格的惯性参考系。以GCRS为例，它有下面几点不符合广义相对论对惯性系的概念：地球附近有地球的引力，月球和太阳等天体的潮汐引力，时空不平直。地球的大小、形状和自引力不能忽略，地球的质心并不严格地在引力场中自由下落。GCRS的坐标轴指向遥远的河外天体，与表示局域惯性系的陀螺指向之间有测地岁差的转动，导致在GCRS中有微小的科里奥利惯性力。GCRS和BCRS只能称为准惯性系。

国际天球参考系（ICRS）是天体测量星表的基本参考系。就空间位置而言，它实际上是球面上的二维空间坐标系。如果将太阳系看成是孤立的系统，距离太阳系天体很远处的时空是平直的。ICRS的原点是太阳系天体系统的1阶后牛顿近似的质心，在当前的观测精度下ICRS可以看成是惯性系。