陀螺儀內繞其對稱軸高速旋轉的陀螺具有兩個重要特性：其一，為定軸性，即在沒有外力矩的作用下，陀螺轉軸的方向始終指向初始恒定方向；其二，為進動性，即在外力矩的作用下，陀螺轉軸產生進動，沿最短路程向外力矩的旋轉軸所在鉛垂面靠攏，直到兩軸處于同一鉛垂面為止。
真子午線是過地球自轉軸的平面（子午面）與地球表面的交線，因此地面真子午線（真北方向）與地球自轉軸處于同一鉛垂面內。當陀螺儀的陀螺高速旋轉，其轉軸不在地面真子午線的鉛垂面內時，陀螺轉軸在地球自轉的力矩作用下產生進動，向真子午線和地球自轉軸所在的鉛垂面靠近，于是陀螺的轉軸就可以自動地指示出真北方向。
高速旋轉的自由陀螺的轉軸在慣性作用下不會靜止在真北方向，而是在真北方向左右擺動。陀螺轉軸東西擺動的最大振幅處稱為逆轉點。因此，陀螺儀與經緯儀相結合，用經緯儀跟蹤光標東西逆轉點，讀取水平度盤讀數并取其平均值，從而求得真北方向。