定義
對一切運動的描述，都是相對於某個參考系的。參考系選取的不同，對運動的描述，或者說運動方程的形式，也隨之不同。在有些參考系中，不受力的物體會保持相對靜止或勻速直線運動狀態，其時間是均勻流逝的，空間是均勻和各向同性的。在這樣的參考系內，描述運動的方程有著最簡單的形式，此參考系就是慣性參考系（慣性系）。
朗道《場論》（主要是相對論電動力學）給出的定義 ：牛頓第一定律成立的參照系叫做慣性系 （原文直接說在這樣的參考系中，一個不受相互作用的粒子將保持相對靜止或勻速直線運動）。這個定義在牛頓力學和狹義相對論中均適用。
①牛頓第一定律定義了慣性系。
②牛頓力學在慣性系中成立（在相對論中，修正為麥克斯韋方程組和相對論力學在其中成立）。
這樣就不存在邏輯循環，同時也說明，牛頓第一定律不是牛頓第二定律在 F=0時的特殊情況。
在空間中，相對於任何參考點（靜止中或移動中），一個運動中的粒子的位移、速度和加速度都可以測量計算而求得。雖然如此，經典力學假定有一組特別的參考系。在這組特別的參考系內，大自然的力學定律呈現出比較簡易的形式，稱這些特別的參考係為慣性參考系（慣性系）。慣性系有個特性：兩個慣性系之間的相對速度必是常數；相對於一個慣性系，任何非慣性參考系（非慣性系）必定呈加速度運動。所以，一個淨外力是零的點粒子在任何慣性參考系內測量出的速度必定是常數；只有在淨外力非零的狀況下，才會有點粒子加速度運動。因為萬有引力的存在，並無任何方法能夠保證找到淨外力為零的慣性系。實際而言，相對於遙遠星體呈現常速度運動的參考系應是優良的選擇。
慣性系是不存在引力作用、不存在自身加速度的“自由”參考系。在經典力學中，這是一種理想參考系：由於宇宙空間中無處不存在引力，實際的慣性系是不存在的。在廣義相對論中，由於引力作用和加速度是完全等效的，對於一個在引力場中作自由落體運動的參考系，引力作用和自身加速度的作用抵消。這樣的參考系，是一個真實的“自由”參考系。由於引力場在空間中的分布是不均勻的，慣性系只可能是局域的，也被稱為局域慣性參考系。宇宙中不存在全局慣性參考系。
判定
一個參考系是不是慣性系，只能由實驗確定。最基本的判據就是牛頓運動定律成立與否。根據伽利略相對性原理，和一個慣性系保持相對靜止或相對勻速直線運動狀態的參考系也是慣性系。在實踐中，總是根據實際需要選取近似的慣性系。比如，在研究地面上物體小範圍內的運動時，地球是一個良好的慣性系。實踐表明，對於一般工程技術中的動力學問題，與地球相固結的坐標系是一個很好的近似的慣性系。在研究太陽系中天體的運動時，太陽是一個很好的慣性系。
概念的擴充
相對慣性系作等速直線運動的任何參考系都是慣性系，因為在這些參考系中牛頓運動定律都成立（見伽利略變換），即在相對慣性系作等速直線運動的任何參考系中，力學規律的表達形式都一樣。或者說，任何一個慣性系中所作的任何力學實驗都無法測定慣性系本身的速度。這個論斷常稱為力學相對性原理，它是伽利略於1632年在他的名著《關於哥白尼和托勒玫兩大世界體系的對話》中首先提出來的，故又稱伽利略相對性原理。該書中伽利略列舉了大量事實說明在等速直線運動著的船上和在地面上的力學規律的表達形式完全相同。所有的慣性參考系都是等效的。伽利略最早說明了這個事實：在一個封閉的系統中，不論進行怎樣的力學實驗，都不能判斷一個慣性系統是處於靜止狀態或是在作等速直線運動。
伽利略相對性原理是最早被引入物理學中的基本原理之一，它是牛頓的宇宙觀的基礎，其正確性被大量的物理事實所證明。1905年，愛因斯坦在他的論文《論動體的電動力學》中將力學的相對性原理推廣到物理學的其他領域（如電、磁、光學等領域），提出了愛因斯坦的狹義相對性原理：在任何慣性系中物理定律具有相同的表達形式。愛因斯坦將這個相對性原理與光速不變原理相結合，創建了狹義相對論。
其他概念
非慣性系 ：也稱非慣性參考系，是相對地面慣性系做加速運動的物體。在非慣性系中，牛頓第一定律並不成立。
平動加速系：相對於慣性系作變速直線運動，但是本身沒有轉動的物體。例如在平直軌道上加速運動的火車。
轉動參考系：相對慣性系轉動的物體。例如在水平面勻速轉動的轉盤。
