牛顿第一、第二定律（见牛顿运动定律）在其中有效的参照系。如果s为一惯性参照系，则任何对于s作等速直线运动的参照系s┡都是惯性参照系；而对于s作加速运动的参照系则是非惯性参照系。
所有的惯性参照系都是等效的。伽利略最早说明了在一个封闭系统内不能用力学实验来决定这个系统是否作等速直线运动的事实。1632年，伽利略观察了在一个密闭船舱中发生的现象，写道：“在这里（只要船的运动是等速的）,你在一切现象中都观察不出丝毫改变,也无法根据任何现象来判断船在运动还是停在原地：当你在船板上跳跃时，你跳过的距离和你在静止的船上跳过的距离完全相同；也就是说，当你向船尾跳去时，并不会──由于船在很快地运动──比向船头跳去时跳得更远，虽然当你跳起在空中时，你下面的船板正向着相反的方向奔驰；而且,你若要把一件东西抛给你的朋友,如果你的朋友靠近船头而你靠近船尾，你也不必比你俩调换位置后费更大的力气；从挂在天花板上的装水杯子中洒出的水滴，会竖直地落在船板上，而没有任何一滴水偏向船尾，虽然水滴尚在空中时船正向前进。苍蝇继续飞来飞去，在各个方向毫无不同；它们绝不会聚向船尾，情况仿佛由于追逐急驶的船只而疲于奔命。”由此，伽利略总结出力学的相对性原理,或伽利略相对性原理:在一个封闭的系统中，不论进行怎样的力学实验，都不能判断一个惯性系统是处于静止状态或是在作等速直线运动。
伽利略相对性原理是最早被引入物理学中的基本原理之一，它是I.牛顿的宇宙观的基础，其正确性被大量的物理事实所证明。A.爱因斯坦的狭义相对论把这个原理推广为：在一个系统内部所做的任何物理实验（不论是力学的、电学的、光学的或其他的实验）都不能判断这个系统的等速直线运动。
判定一个给定的参照系是不是惯性参照系，这取决于人们能以多大的精度去观测出这个参照系的微小的加速度效应。由观察和实验得知，在大部分同工程实际有关的动力学问题中，可以取固连于地球的参照系作为一个近似的惯性参照系。但是由于地球绕本身的轴自转使得固连于地球的参照系中的点有微小的加速度,例如,一个静止在地球赤道上的质点，它有一个指向地心的加速度约为0.034m/s2。因此，对于许多问题,特别是天文学问题，以地球作为惯性参照系得出的结论就不正确了。在观察行星运动的误差范围内，可以把太阳中心作为坐标原点，而三个坐标轴分别指向三个指定的恒星的参照系作为一个更近似的惯性参照系。在这个参照系中，地球在绕太阳运动轨道上的加速度约为6×10-3m/s2，比地球自转在赤道上产生的加速度小一个数量级。太阳朝向银河系中心的加速度在实验上是不知道的，但是，根据对光谱多普勒效应的研究推算出，太阳绕银河系中心转动的加速度约为3×10-10m/s2。因此,恒星参照系是一个相当精确的惯性参照系。