Die Gravitation wurde erstmals von dem britischen Physiker und Mathematiker Isaac Newton mathematisch beschrieben. Das von ihm formulierte newtonsche Gravitationsgesetz war die erste physikalische Theorie, die sich in der Astronomie anwenden ließ. Sie bestätigten die bereits zuvor entdeckten Keplerschen Gesetze der Planetenbewegung und damit ein grundlegendes Verständnis der Dynamik des Sonnensystems mit der Möglichkeit präziser Vorhersagen bezüglich der Bewegung von Planeten, Monden und Kometen.

In der 1916 von Albert Einstein aufgestellten allgemeinen Relativitätstheorie wird die Gravitation auf eine Krümmung von Raum und Zeit zurück geführt, die unter anderem durch die beteiligten Massen provoziert wird. Das newtonsche Gravitationsgesetz ergibt sich dabei als nichtrelativistischer Grenzfall für die Situation hinreichend schwacher Raumkrümmung, wie sie beispielsweise in unserem Planetensystem herrscht. Die korrekte Beschreibung von Neutronensternen und Schwarzen Löchern oder die Erklärung der Periheldrehung des Merkur sind aber der allgemeinen Relativitätstheorie vorbehalten.

Die Gravitation ist die schwächste der vier bekannten Grundkräfte der Physik. Aufgrund ihrer großen Reichweite und des Umstandes, dass sie sich nicht abschirmen lässt, ist sie dennoch die Kraft, die die großräumigen Strukturen des Kosmos prägt. Sie spielt daher in der Kosmologie eine entscheidende Rolle.

Das newtonsche Gravitationsgesetz besagt, dass die Gravitationskraft F, mit der sich zwei Massen m₁ und m₂ anziehen, proportional zu den Massen beider Körper, der Gravitationskonstanten G und umgekehrt proportional zu dem Quadrat des Abstandes r der Massenschwerpunkte ist:

wobei

G = 6,67259 · 10^-11 m³ kg^-1 s^-2

Danach ist die Gravitationskraft eine berührungslose Wechselwirkung, die auch wie in Fall der Anziehung zwischen Erde und Sonne durch das Vakuum wirkt. Man genannt sie als Fernwirkungskraft, die sich mittels Kraftfeldern beschreiben lässt. In dem Rahmen der newtonschen Physik wird dabei angenommen, dass sich Veränderungen des Feldes durch Bewegungen der Massen instantan in dem Raum ausbreiten.

Aus dem newtonschen Gravitationsgesetz folgt, dass die Gravitation an einem Punkt einer sphärisch symmetrischen (kugelförmigen) Massenverteilung in dem Abstand r von ihrem Schwerpunkt immer so groß wie die Gravitation einer Punktmasse in diesem Schwerpunkt ist, deren Masse gerade der Teil der Gesamtmasse entspricht, der sich innerhalb der Kugel mit dem Radius r befindet. Innerhalb einer homogenen Kugel bedeutet das, dass die Gravitationskraft proportional zu dem Abstand vom Mittelpunkt ist. Die Gravitation einer homogenen Kugel in dem Vakuum ist daher an ihrer Oberfläche am größten. Das gilt auch für die Erde.

In der Relativitätstheorie werden Raum und Zeit als Einheit beschrieben, die als Raumzeit genannt wird. Diese Raumzeit wird lokal durch die Anwesenheit von Massen gekrümmt. Ein Gegenstand, auf den keinerlei Kraft ausgeübt wird, bewegt sich zwischen zwei Stellen in dieser krummen Raumzeit immer entlang des geradlinigsten Weges, einer so genannten Geodäte. Die Gravitation lässt sich auf diese Weise auf ein geometrisches Phänomen in einer gekrümmten Raumzeit zurückführen. In diesem Sinne reduziert die allgemeine Relativitätstheorie die Gravitationskraft auf den Status einer Scheinkraft.

In der Relativitätstheorie wird die Gravitation zwischen zwei Massen damit über die lokale Krümmung der Raumzeit vermittelt, wobei sich Änderungen ca. mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten können. Die Gravitation hat daher den Status einer Nahwirkungskraft.

• In einer jener blitzartigen Eingebungen, nach denen sich Wissenschaftler ihr Leben lang sehnen, begriff Einstein, dass Gravitation und beschleunigte Bewegung ca. zwei Seiten ein und derselben Medaille sind. - Brian Greene (Der Stoff, aus dem der Kosmos ist, ISBN 388680738X, S. 86)

Falls die Gravitation eine Quantenfeldtheorie ist (Quantengravitation), sollte das Graviton, ein bislang noch nicht nachgewiesenes, hypothetisches Teilchen, existieren. Das Graviton hätte dann eine dem Photon der elektromagnetischen Wechselwirkung analoge Rolle.