自由陀螺仪的核心是一个高速旋转的具有较大质量及转动惯量的飞轮，称为陀螺转子。由于高速旋转刚体的定轴性，陀螺转子轴的方向在无外力矩作用时会相对惯性空间保持稳定。为了使转子能正常转动，并不受陀螺基座及载体角运动的限制和影响，利用两个框架支承隔离了外界的角运动，因此在框架支承允许的角度范围内，陀螺转子可作为惯性姿态基准。通过框架轴上安装的角度传感器测量壳体相对转子轴的相对转角，即可得到载体姿态信息。为了进行陀螺的初始定向或角位置归零，在每个轴上还安装有力矩器，通过向力矩器施加控制电流，可以控制转子轴在惯性空间转动到所需方向。
