Die Masse der Erde ist ungleich verteilt: Einerseits finden sich auf ihr die Kontinente mit teils massiven Gebirgen, Gletschern oder reichen Grundwasservorkommen. Andererseits gibt es das Meer mit seinen teils tiefen Gräben und Schluchten. Auch im Erdinnern ist die Massenverteilung ungleichmäßig. Das Schwerefeld der Erde, also die Gravitationskraft in ihrem räumlichen Umfeld, entspricht darum nicht exakt dem einer Kugel, sondern weicht davon ab. Ändern sich die Massenverhältnisse aufgrund von Bewegungen der Erdplatten, dem Abschmelzen großer Eismassen, dem Absinken des Grundwassers oder wegen klimatischer Änderungen, so ändert sich auch das Schwerefeld. Sogar bei der Tageslänge und der Richtung der Erdrotationsachse lassen sich Veränderungen feststellen. Das Ziel der Geodäsie ist es, den Aufbau der Erde sowie dessen zeitliche Änderungen zu verstehen.
Die Rotation der Erde lässt sich astronomisch messen, indem ein weltweites Netzwerk aus Teleskopen die gleichen, Milliarden von Lichtjahre entfernten Referenzquellen am Himmel beobachtet (Very Long Baseline Interferometry, VLBI). Die erfassten Radiosignale treffen je nach Position der Teleskope auf der Erde zu unterschiedlichen Zeitpunkten ein, woraus sich der Abstand zwischen zwei Teleskopen berechnen lässt. Aus dessen zeitlicher Änderung lassen sich nicht nur Aufschlüsse über Plattenbewegungen, sondern auch über die Erdrotation gewinnen. So löst die VLBI Tageslängenschwankungen von weniger als 0,1 Tausendstel Sekunden auf.
Darüber hinaus gibt es seit einigen Jahren im geodätischen Observatorium Wettzell einen hochgenauen Ringlaser von vier Metern Seitenlänge (Bild). In ihm verkehren zwei Laserstrahlen auf gegenläufigen Bahnen im Kreis. Dreht sich die Apparatur, so ändert sich die Laufzeit des Laserlichts je nach Umlaufrichtung aufgrund von relativistischen Effekten. Aus der entstehenden Phasenverschiebung der Laserwellen lässt sich die Rotationsbewegung der Apparatur bestimmen – und damit auch die Rotation des ganzen Labors und der Erde.
Seit 2016 gibt es in Fürstenfeldbruck einen weltweit einmaligen Aufbau mit effektiv sogar vier Ringlasern mit einer Seitenlänge von ca. zwölf Metern. Mit diesem Aufbau konnte zum ersten Mal der Vektor der Rotation (also Rotationsgeschwindigkeit und Richtung der Achse) mit einer Genauigkeit von ca. 10−10 Hz gemessen werden. Auch die Verkippung des Untergrundes ist dabei wichtig. Sie kann mit Neigungsmessern mit einer Genauigkeit von Billionstel Winkelgraden gemessen werden.
Um das Schwerefeld, d. h. die Gravitation an unterschiedlichen Orten auf der Erde, zu vermessen, benutzt man Gravimeter und Gradiometer. Mit Gravimetern misst man den Betrag der Erdbeschleunigung und mit Gradiometern, wie stark sie sich mit der Höhe verändert, also den Gravitationsgradienten. Als Gravimeter lassen sich z. B. Pendel verwenden: Ihre Schwingungsfrequenz ergibt sich aus Pendellänge und Erdbeschleunigung, weshalb man sie zu deren Vermessung nutzen kann. Auch Fallexperimente werden eingesetzt: Dazu werden Objekte mit Reflektoren versehen, und ihr freier Fall wird dann mithilfe von Lasern vermessen. Supraleitende Gravimeter erzeugen in einer Spule ein Magnetfeld, in dem eine Masse an einem Federpendel im Schwebezustand gehalten wird. Ändert sich die Beschleunigung, die die Masse erfährt, so muss dies durch eine Änderung des Stroms kompensiert werden. Die Stromstärke gibt demnach Aufschluss über die Erdbeschleunigung. Mit supraleitenden Gravimetern lässt sich eine Auflösung von 1 nm/s2 erreichen.
Hochgenaue Messungen der Erdbeschleunigung lassen sich auch mithilfe von Materiewellen realisieren: Dabei werden frei fallende Atome mit Lasern angestrahlt, um sie zu trennen und nachher wieder zu vereinen. Indem man die Überlagerung ihrer Materiewellen auswertet, erhält man Informationen über die Erdbeschleunigung an einem Ort. Der Vorteil dieser Atominterferometer besteht darin, dass keine aufwendige Kalibrierung notwendig ist, weil alle Messgrößen auf charakteristische atomare Größen zurückgeführt werden können.
Auch Uhren liefern dank eines relativistischen Effekts – der gravitativen Rotverschiebung – Informationen über die Gravitation: Uhren im stärkeren Schwerefeld gehen gegenüber solchen im weniger starken Feld etwas langsamer. Heutige optische Atomuhren sind so genau, dass man mit ihnen auf der Erde einen Höhenunterschied von einem Zentimeter und teils noch darunter feststellen kann.
Bleibt für einen Höhenvergleich noch, die Information über den Gangunterschied zwischen zwei Orten zu übertragen. Es konnte gezeigt werden, dass die Höhengenauigkeit bei einer Übertragung der Information mit optischen Fasern zwischen zwei 1000 Kilometer voneinander entfernten Uhren erhalten bleibt. Damit kann man im Prinzip auf einem Kontinent eine zentimetergenaue Höhenreferenz realisieren. Wenn man bedenkt, dass innerhalb Europas die Unsicherheit der Höhenreferenz derzeit bei einem Meter liegt, wäre das ein gewaltiger Fortschritt. Was fehlt, ist allerdings das Verbindungsnetz: In Europa gibt es dieses nur zwischen einigen Laboren. Daher wird überlegt, wie man diesen Uhrenvergleich in die Fläche bringen kann. Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt hat z. B. eine transportable optische Uhr auf einem Lastwagen für Feldmessungen gebaut. Auch wird überlegt, solche Uhren auf Satelliten zu bringen und damit vom Weltraum aus Uhrengeodäsie zu betreiben.
Einen globalen Überblick über das Schwerefeld liefern Satellitenmessungen, welche lokal durch erdgebundene Systeme verfeinert werden. Bei der Geodäsiemission CHAMP von 2000 bis 2010 wurde die Bahn des Satelliten ausgemessen und daraus wurden Schwankungen des Gravitationsfelds bestimmt. GOCE (Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer, 2009–2013) trug ein Gradiometer aus sechs frei fallenden Testmassen mit sich, deren Abstände zueinander in allen drei Raumrichtungen vermessen wurden.
GRACE (Gravity Recovery And Climate Experiment seit 2002) und die Nachfolgemission GRACE Follow-On (seit 2018) bestehen jeweils aus zwei Satelliten, die in einem Abstand von rund 220 Kilometern auf der gleichen Bahn um die Erde kreisen. Der Abstand variiert je nach Schwerefeld: Fliegt der erste Satellit über eine große Massenansammlung, so wird er beschleunigt, und der Abstand vergrößert sich minimal, bis auch der hintere Satellit die Masse überquert hat. Diese Abstandsänderungen lassen sich durch Mikrowellen bzw. in der Nachfolgemission durch Laserinterferometrie auf den Nanometer genau erfassen und damit das Schwerefeld der Erde rekonstruieren. GRACE zeigt deutlich das Abschmelzen von Eismassen, die Variation der jahreszeitlichen Niederschläge in tropischen Regionen sowie das Absinken des Grundwasserspiegels etwa in Nordindien und im Südwesten der USA. Man kann damit auf der Erde eine Regenmenge von 0,1 mm mit einer räumlichen Auflösung von 100 km am Boden nachweisen. Da die Laserinterferometrie auf GRACE Follow-On so perfekt funktioniert, sind weltweit ähnliche Missionen in Planung: GRACE-C, Next Generation Gravity Mission (NGGM) und MAGIC als Kombination dieser beiden, jeweils mit anderen Umlaufbahnen oder auch mit mehr als zwei Satelliten.