
Un corpo si definisce in caduta libera quando esso è sottoposto alla sola forza gravitazionale.
Tale definizione implica che il corpo possa anche non cadere nel senso comune del termine, in quanto a seconda delle condizioni iniziali può, ad esempio, orbitare (i pianeti intorno al sole sono in caduta libera) oppure anche allontanarsi all'infinito.
In relatività generale la definizione perde significato perché la gravità è considerata la curvatura stessa dello spazio-tempo e quindi un corpo in caduta libera non ha forze che agiscono su di lui.
Il moto di un corpo in caduta libera può essere studiato usando la sola cinematica: quest'ultima, infatti, ci permette di studiare il fenomeno senza considerare le cause che lo determinano.
Nell'ipotesi di caduta libera, un corpo è soggetto a un'accelerazione che si manifesta in direzione radiale verso il centro di un pianeta. Per i corpi che cadono liberamente per brevi percorsi (come nel caso di cadute da piccole altezze), l'accelerazione può essere ritenuta costante, sia in modulo che in direzione. In tal caso, il moto di caduta libera può essere considerato un moto rettilineo uniformemente accelerato.
Scelto il sistema di riferimento in modo che l'asse "z" sia rivolto verso il basso, l'accelerazione ha la forma:
dove "g" è l'accelerazione di gravità (indipendente dalle coordinate, secondo l'ipotesi formulata). La soluzione è quella di trovare le equazioni del moto del corpo. A tale scopo si può integrare la (1) rispetto ad un intervallo di tempo generico:
dove formula_3. Otteniamo:
che è l'equazione della velocità (anch'essa rettilinea e diretta verso il basso) per il nostro corpo. Integrando nuovamente la (2):
Questa è l'equazione del moto per il corpo in caduta libera. Ovviamente formula_6 è l'altezza cui il corpo viene lasciato e, poiché la scelta del sistema di riferimento è arbitraria, possiamo sempre fare in modo che essa coincida con zero, oppure con "h", cioè la quota iniziale. D'altra parte formula_7 è la velocità iniziale del corpo: se esso viene lasciato cadere, allora formula_8; se invece il corpo viene lanciato verso il basso, o verso l'alto, allora formula_9 (formula_7 sarà positivo o negativo a seconda dei due casi).
Si noti come da un certo punto in poi non si sia usata la notazione vettoriale perché il moto si svolge lungo una linea retta: dunque si abusa legittimamente della notazione, come ad esempio formula_11, intendendo che è la derivata rispetto al tempo della coordinata spaziale. Così anche formula_12.
Dalla (2) si può ricavare il tempo di caduta del corpo:
Una variante del moto in caduta libera è il lancio di un corpo verticalmente verso l'alto. In tal caso scegliamo un sistema di riferimento composto dall'asse 'z' ma rivolto verso l'alto. In tal caso le equazioni (1), (2), (3) rimangono invariate eccetto che per il segno dell'accelerazione di gravità che stavolta è negativo.
In questo caso il corpo raggiunge una certa quota partendo da formula_14, e questo implica innanzitutto che la velocità iniziale non è mai nulla (altrimenti significherebbe che il corpo non si è mai mosso), e successivamente raggiunge la massima quota "h" per poi ridiscendere verso terra. Questo implica che la velocità si annulla nel punto di inversione del moto, esattamente al tempo:
(ottenuto dalla (2) per formula_16) a cui corrisponde un'altezza massima (cioè la quota massima):
ottenuta sostituendo il valore del tempo di inversione nella (3), per formula_8.
L'istante di caduta al suolo è quello per cui formula_19 e risolvendo la (3):
le cui soluzioni sono due: una di queste è da scartare perché negativa (significherebbe che il tempo è negativo), l'altra soluzione sarà semplicemente:
con velocità finale corrispondente: formula_22.
Dunque in questo caso il moto è uniformemente decelerato per formula_23 e uniformemente accelerato per formula_24.


In fisica, il campo gravitazionale è il campo associato all'interazione gravitazionale.
In meccanica classica, il campo gravitazionale è trattato come un campo di forze conservativo. Secondo la relatività generale esso è espressione della curvatura dello spazio-tempo creata dalla presenza di massa o energia, quindi la forza di gravità sarebbe una forza apparente, ed è rappresentato matematicamente da un tensore metrico legato allo spazio-tempo curvo attraverso il tensore di Riemann. 
Il campo gravitazionale generato dalla Terra, ad esempio, in prossimità della superficie terrestre assume valori prossimi a 9,8 m·s e per convenzione si adotta tale valore di riferimento per l'accelerazione di gravità.
Il campo gravitazionale è un campo di forze conservativo. Il vettore del campo gravitazionale generato nel punto formula_1 nello spazio dalla presenza di una massa nel punto formula_2, origine del riferimento, è definito come:
dove formula_4 è la costante di gravitazione universale e formula_5 la massa. È quindi possibile esprimere la forza esercitata sul corpo di massa "m" come:
L'unità di misura del campo gravitazionale nel Sistema internazionale è:
dove formula_8 è il modulo di formula_9.
Il campo gravitazionale è descritto dal potenziale gravitazionale, definito come il valore dell'energia gravitazionale rilevato da una massa posta in un punto dello spazio per unità di massa. L'energia gravitazionale della massa è il livello di energia che la massa possiede a causa della sua posizione all'interno del campo gravitazionale; pertanto il potenziale gravitazionale della massa è il rapporto tra l'energia gravitazionale e il valore della massa stessa, cioè: 
Essendo il campo gravitazionale conservativo, è sempre possibile definire una funzione scalare "V" il cui gradiente, cambiato di segno, coincida con il campo:
Per ogni campo gravitazionale è possibile definire delle superfici ortogonali al campo in ogni punto dello spazio, dette superfici equipotenziali. Il significato fisico di queste superfici è chiaro se si considera il lavoro della forza di gravità lungo un cammino appartenente alla superficie: dato che lo spostamento è punto per punto ortogonale alla forza, il lavoro lungo questo cammino è nullo. Ciò vuol dire che masse uguali sulla stessa superficie equipotenziale hanno la stessa energia potenziale. Per esempio, nel caso di una sorgente sferica, le superfici equipotenziali sono sfere concentriche e le linee di flusso sono l'insieme delle semirette entranti nel centro delle sfere.
Indicato il campo gravitazionale come formula_12, a meno di fattori moltiplicativi e traslazionali, con formula_13 vettore posizione, si osserva che la sua divergenza in tre dimensioni è nulla. Infatti:
Il campo gravitazionale assume nell'ambito della teoria della relatività generale di Einstein una struttura molto più complessa. Esso rappresenta la differenza tra il tensore metrico dello spazio-tempo e il tensore metrico dello spazio-tempo piatto, o spazio-tempo di Minkowski. La deformazione dello spazio-tempo data dal campo gravitazionale viene talvolta rappresentata graficamente come la deformazione di un materasso, o di un telo elastico, ad opera di una palla pesante posta su di esso: qui lo spazio-tempo piatto è rappresentato dal telo perfettamente teso e, appunto, piatto.
Il tensore metrico dello spazio-tempo deformato dalla presenza di masse, oppure semplicemente energia, viene calcolato attraverso l'equazione di campo di Einstein:
dove formula_16 è il tensore metrico, formula_17 e formula_18 sono rispettivamente la curvatura scalare e il Tensore di Ricci, ottenuti come contrazione dal Tensore di Riemann, legato alle derivate del tensore metrico e formula_4 è la costante di gravitazione universale.
