地球绕自转轴自西向东的旋转是一种持续的物理现象。地球自转的平均角速度为7.292×10^-5弧度/秒，在地球赤道上的自转线速度为465米/秒。尽管地球自转通常被认为是均匀的，但精密的天文观测已经揭示了地球自转存在三种不同的变化。
首先，地球自转速度存在长期减慢的趋势。这种减慢导致日的长度在一个世纪内大约增加1至2毫秒，使得以地球自转周期为基准的时间在2000年内累计慢了大约2个多小时。主要原因被认为是潮汐摩擦。科学家们发现，在37000年以前的泥盆纪中期，地球上的年份大约为400天。
其次，地球自转速度表现出周期性的变化。20世纪50年代的天文测时分析显示，地球自转速度有季节性的周期变化，春天变慢，秋天变快，还有一种半年周期的变化。周年变化的振幅约为20至25毫秒，主要是由风的季节性变化引起的。
第三，地球自转还经历不规则的变化，其速度时快时慢。这种不规则变化的原因尚在研究之中。
地球自转轴在地球本体上的位置是不断变化的，这种变化被称为地极移动或极移。1765年，L.欧拉证明，没有外力作用下，刚体地球的自转轴将围绕形状轴进行自由摆动，周期约为305恒星日。1888年，人们通过纬度变化的观测证实了极移的存在。11年，美国的S.C.张德勒指出，极移包括两种主要周期成分：一种是周期约14个月的自由摆动，即张德勒摆动；另一种是周期为12个月的受迫摆动。实际观测到的张德勒摆动与欧拉所预言的自由摆动相符，但由于地球并非一个完美的刚体，张德勒摆动的周期比欧拉预言的周期长约40%。张德勒摆动的振幅在0.06〃至0.25〃之间缓慢变化，周期变化范围约为410至440天。极移的另一种主要成分是周年受迫摆动，其振幅约为0.09〃，相对稳定，主要由大气和两极冰雪的季节性变化引起。除去极移中的周期成分后，可以得到长期极移，其平均速度约为0.003〃/年，方向大致在西经70°左右。
地球自转轴在空间中的运动包括岁差和章动。岁差运动表现为地球自转轴围绕黄道轴旋转，在空间描绘出一个圆锥面，绕行一周约需2.6万年。章动是叠加在岁差运动上的许多复杂的周期运动。
有多种方法可以证明地球的自转，包括牙签法、炮弹法、重力加速度法、深井测量法和傅科摆。这些方法从不同角度证实了地球自转的存在和方向。
