Centrālais jēdziens debess mehānikā ir orbīta – trajektorija, pa kuru pārvietojas debess ķermenis citu debess ķermeņu gravitācijas spēka iedarbībā. Ja aplūko tikai divus ķermeņus, piemēram, satelīta kustību ap Zemi, orbīta var būt riņķis, elipse, parabola vai hiperbola. Orbītas forma atkarīga no mazākā ķermeņa kustības ātruma. Ja tā ātrums vienāds ar pirmo kosmisko ātrumu, ķermenis pārvietojas pa riņķi. Ja ātrums ir lielāks, bet nesasniedz otro kosmisko ātrumu, orbīta ir eliptiska. Ja ātrums ir vienāds ar otro kosmisko ātrumu, ķermenis kustas pa parabolu, bet ja ātrums ir vēl lielāks, orbīta ir hiperboliska.
Eliptisku orbītu raksturo tās izmēri, kurus nosaka orbītas lielā pusass un orbītas saspieduma pakāpe jeb ekscentricitāte. Saulei tuvāko orbītas punktu sauc par perihēliju, bet tālāko punktu – par afēliju. Laika intervālu, kurā planēta veic vienu apriņķojumu ap Sauli, sauc par apriņķojuma periodu. Kustību pa eliptisku orbītu vienkāršotā veidā apraksta trīs Keplera likumi.
Debess mehānikas pamatā ir vispasaules gravitācijas likums un mazākās akcijas princips. Saskaņā ar mazākās akcijas principu, no visām kinemātiski iespējamām kustībām, ko pieļauj mehāniskās saites, realizējas tā, kurai atbilst minimālā akcija. Pielietojot šo likumu un principu, iegūst diferenciālvienādojumu sistēmu, kas apraksta debess ķermeņu kustību. Vienādojumu atrisināšanai izmanto perturbāciju teoriju un skaitlisko integrēšanu. Perturbāciju teorija ir matemātiska metode, kas dod tuvinātu, taču pietiekami precīzu atrisinājumu. Otra svarīgākā teorija debess mehānikā ir vispārīgā relativitātes teorija, kas precizē Ņūtona gravitācijas teoriju. Balstoties uz relatīvistisko mehāniku, aprēķina labojumus, kas jāņem vērā, nosakot debess ķermeņu faktisko stāvokli. Dažos gadījumos komētu, satelītu un citu debess ķermeņu kustību būtiski ietekmē negravitācijas spēki, piemēram, reaktīvais spēks, vides pretestības spēks, gaismas spiediena spēks. Arī tos iespēju robežās ņem vērā aprēķinos.