Un instrumento utilizado para medir la gravedad se conoce como gravímetro. Para un cuerpo pequeño, la relatividad general predice efectos gravitatorios indistinguibles de los efectos de la aceleración por el principio de equivalencia. Por tanto, los gravímetros pueden considerarse acelerómetros de propósito especial. Muchas balanzas pueden considerarse gravímetros simples. En una forma común, se utiliza un muelle para contrarrestar la fuerza de la gravedad que tira de un objeto. El cambio de longitud del muelle puede calibrarse con la fuerza necesaria para equilibrar la atracción gravitatoria. La medición resultante puede hacerse en unidades de fuerza (como el newton), pero es más común que se haga en unidades de gals.
Los investigadores utilizan gravímetros más sofisticados cuando se necesitan mediciones precisas. Cuando se mide el campo gravitatorio de la Tierra, las mediciones se realizan con una precisión de microgales para encontrar variaciones de densidad en las rocas que componen la Tierra. Existen varios tipos de gravímetros para realizar estas mediciones, incluyendo algunos que son esencialmente versiones refinadas de la escala de resorte descrita anteriormente. Estas mediciones se utilizan para definir las anomalías de gravedad.
Además de la precisión, la estabilidad es también una propiedad importante de un gravímetro, ya que permite el seguimiento de los cambios de gravedad. Estos cambios pueden ser el resultado de desplazamientos de masa en el interior de la Tierra, o de movimientos verticales de la corteza terrestre sobre la que se realizan las mediciones: recordemos que la gravedad disminuye 0,3 mGal por cada metro de altura. El estudio de los cambios de gravedad pertenece a la geodinámica.
La mayoría de los gravímetros modernos utilizan muelles de longitud cero de metal o cuarzo especialmente diseñados para soportar la masa de prueba. Los muelles de longitud cero no siguen la Ley de Hooke, sino que tienen una fuerza proporcional a su longitud. La propiedad especial de estos resortes es que el periodo de resonancia natural del sistema resorte-masa puede hacerse muy largo, acercándose a los mil segundos. Esto desintoniza la masa de prueba de la mayoría de las vibraciones locales y del ruido mecánico, aumentando la sensibilidad y la utilidad del gravímetro. Los muelles de cuarzo y de metal se eligen por diferentes razones; los muelles de cuarzo se ven menos afectados por los campos magnéticos y eléctricos, mientras que los muelles de metal tienen una deriva (elongación) mucho menor con el tiempo. La masa de prueba está sellada en un recipiente hermético para que los pequeños cambios de presión barométrica debidos al viento y otras condiciones meteorológicas no cambien la flotabilidad de la masa de prueba en el aire.
Los gravímetros de resorte son, en la práctica, instrumentos relativos que miden la diferencia de gravedad entre diferentes lugares. Un instrumento relativo también requiere una calibración mediante la comparación de las lecturas del instrumento tomadas en lugares con valores completos o absolutos conocidos de la gravedad. Los gravímetros absolutos proporcionan estas mediciones determinando la aceleración gravitacional de una masa de prueba en el vacío. Se deja caer libremente una masa de prueba dentro de una cámara de vacío y su posición se mide con un interferómetro láser y se cronometra con un reloj atómico. La longitud de onda del láser se conoce con una precisión de ±0,025 ppb y el reloj también es estable con una precisión de ±0,03 ppb. Hay que tener mucho cuidado para minimizar los efectos de las fuerzas perturbadoras, como la resistencia residual del aire (incluso en el vacío), la vibración y las fuerzas magnéticas. Estos instrumentos son capaces de alcanzar una precisión de aproximadamente dos partes por billón o 0,002 mGal y referencian su medición a estándares atómicos de longitud y tiempo. Se utilizan principalmente para calibrar instrumentos relativos, controlar la deformación de la corteza terrestre y en estudios geofísicos que requieren una gran precisión y estabilidad. Sin embargo, los instrumentos absolutos son algo más grandes y significativamente más caros que los gravímetros relativos de muelle, por lo que son relativamente raros.
Los gravímetros han sido diseñados para montarse en vehículos, incluyendo aviones (nótese el campo de la aerogravedad), barcos y submarinos. Estos gravímetros especiales aíslan la aceleración del movimiento del vehículo y la restan de las mediciones. La aceleración de los vehículos suele ser cientos o miles de veces mayor que los cambios que se miden.
Un gravímetro (el Gravímetro de Superficie Lunar) desplegado en la superficie de la Luna durante la misión Apolo 17 no funcionó debido a un error de diseño. Un segundo dispositivo (el Experimento Gravimétrico de Travesía) funcionó como se había previsto.