Ein Instrument zur Messung der Schwerkraft wird als Gravimeter bezeichnet. Für einen kleinen Körper sagt die allgemeine Relativitätstheorie Gravitationswirkungen voraus, die sich nach dem Äquivalenzprinzip nicht von den Auswirkungen der Beschleunigung unterscheiden lassen. Daher können Gravimeter als spezielle Beschleunigungsmesser betrachtet werden. Viele Waagen können als einfache Gravimeter betrachtet werden. In einer gängigen Form wird eine Feder verwendet, um der Schwerkraft, die an einem Objekt zieht, entgegenzuwirken. Die Längenänderung der Feder kann auf die Kraft kalibriert werden, die zum Ausgleich der Schwerkraft erforderlich ist. Die sich daraus ergebende Messung kann in Krafteinheiten (z. B. Newton) erfolgen, wird aber häufiger in Einheiten von Gramm angegeben.
Forscher verwenden anspruchsvollere Gravimeter, wenn präzise Messungen erforderlich sind. Bei der Messung des Gravitationsfeldes der Erde werden Messungen mit der Genauigkeit von Mikrogalen durchgeführt, um Dichtevariationen in den Gesteinen, aus denen die Erde besteht, zu finden. Für diese Messungen gibt es verschiedene Arten von Gravimetern, darunter einige, die im Wesentlichen verfeinerte Versionen der oben beschriebenen Federwaage sind. Diese Messungen werden verwendet, um Schwereanomalien zu definieren.
Neben der Präzision ist auch die Stabilität eine wichtige Eigenschaft eines Gravimeters, da sie die Überwachung von Schwereänderungen ermöglicht. Diese Änderungen können das Ergebnis von Massenverschiebungen im Erdinneren oder von vertikalen Bewegungen der Erdkruste sein, an der die Messungen vorgenommen werden: man bedenke, dass die Schwerkraft für jeden Meter Höhe um 0,3 mGal abnimmt. Die Untersuchung von Schwerkraftänderungen gehört zur Geodynamik.
Die meisten modernen Gravimeter verwenden speziell konstruierte Null-Längen-Federn aus Metall oder Quarz zur Abstützung der Testmasse. Null-Längen-Federn folgen nicht dem Hookeschen Gesetz, sondern haben eine zu ihrer Länge proportionale Kraft. Die besondere Eigenschaft dieser Federn besteht darin, dass die Eigenschwingungsdauer des Feder-Masse-Systems sehr lang gemacht werden kann – nahe an die tausend Sekunden. Dadurch wird die Testmasse von den meisten lokalen Vibrationen und mechanischen Geräuschen entkoppelt, was die Empfindlichkeit und den Nutzen des Gravimeters erhöht. Quarz- und Metallfedern werden aus unterschiedlichen Gründen gewählt; Quarzfedern werden weniger durch magnetische und elektrische Felder beeinflusst, während Metallfedern eine viel geringere Drift (Dehnung) mit der Zeit aufweisen. Die Testmasse ist in einem luftdichten Behälter versiegelt, so dass winzige Änderungen des barometrischen Drucks durch Wind und andere Witterungseinflüsse den Auftrieb der Testmasse in der Luft nicht verändern.
Feder-Gravimeter sind in der Praxis relative Instrumente, die die Differenz der Schwerkraft zwischen verschiedenen Orten messen. Ein relatives Instrument erfordert auch eine Kalibrierung durch den Vergleich von Messwerten, die an Orten mit bekannten vollständigen oder absoluten Werten der Schwerkraft gemessen werden. Absolute Gravimeter liefern solche Messungen, indem sie die Gravitationsbeschleunigung einer Testmasse im Vakuum bestimmen. Eine Testmasse wird in einer Vakuumkammer frei fallen gelassen und ihre Position wird mit einem Laserinterferometer gemessen und mit einer Atomuhr zeitlich bestimmt. Die Wellenlänge des Lasers ist auf ±0,025 ppb bekannt und die Uhr ist ebenfalls auf ±0,03 ppb stabil. Es muss sehr sorgfältig darauf geachtet werden, dass die Auswirkungen von Störkräften wie Luftwiderstand (auch im Vakuum), Vibrationen und magnetischen Kräften minimiert werden. Solche Geräte erreichen eine Genauigkeit von etwa zwei Teilen pro Milliarde oder 0,002 mGal und beziehen ihre Messung auf atomare Standards für Länge und Zeit. Sie werden in erster Linie zur Kalibrierung von relativen Instrumenten, zur Überwachung von Krustenverformungen und für geophysikalische Studien verwendet, die eine hohe Genauigkeit und Stabilität erfordern. Absolute Instrumente sind jedoch etwas größer und deutlich teurer als relative Feder-Gravimeter und daher relativ selten.
Gravimeter wurden für die Montage in Fahrzeugen, einschließlich Flugzeugen (man beachte den Bereich der Aerogravitation), Schiffen und U-Booten entwickelt. Diese speziellen Gravimeter isolieren die Beschleunigung aus der Bewegung des Fahrzeugs und subtrahieren sie von den Messungen. Die Beschleunigung der Fahrzeuge ist oft hunderte oder tausende Male stärker als die gemessenen Veränderungen.
Ein Gravimeter (das Lunar Surface Gravimeter), das während der Apollo 17 Mission auf der Mondoberfläche eingesetzt wurde, funktionierte aufgrund eines Konstruktionsfehlers nicht. Ein zweites Gerät (das Traverse Gravimeter Experiment) funktionierte wie erwartet.