Cuando dos cuerpos celestes de masa comparable interactúan gravitatoriamente, ambos orbitan alrededor de un punto fijo (el centro de masa de los dos cuerpos). Este punto se encuentra entre los cuerpos en la línea que los une en una posición tal que los productos de la distancia a cada cuerpo con la masa de cada cuerpo son iguales. Así, la Tierra y la Luna se mueven en órbitas complementarias alrededor de su centro de masa común. El movimiento de la Tierra tiene dos consecuencias observables. En primer lugar, la dirección del Sol vista desde la Tierra en relación con las estrellas más lejanas varía cada mes en unos 12 segundos de arco, además del movimiento anual del Sol. En segundo lugar, la velocidad de la línea de visión desde la Tierra hacia una nave espacial en movimiento libre varía cada mes en 2,04 metros por segundo, según datos muy precisos obtenidos del seguimiento por radio. A partir de estos resultados, se descubre que la Luna tiene una masa 1/81 veces superior a la de la Tierra. Con ligeras modificaciones, las leyes de Kepler siguen siendo válidas para sistemas de dos masas comparables; los focos de las órbitas elípticas son las posiciones del centro de masa de los dos cuerpos, y, poniendo M1 + M2 en lugar de MS en la expresión de la tercera ley de Kepler, la ecuación (6), la tercera ley dice: 
Eso concuerda con la ecuación (6) cuando un cuerpo es tan pequeño que se puede despreciar su masa. La fórmula reescalada puede utilizarse para determinar las masas separadas de las estrellas binarias (pares de estrellas que orbitan una alrededor de la otra) que están a una distancia conocida del sistema solar. La ecuación (9) determina la suma de las masas; y, si R1 y R2 son las distancias de las estrellas individuales desde el centro de masa, la relación de las distancias debe equilibrar la relación inversa de las masas, y la suma de las distancias es la distancia total R. En símbolos 
Estas relaciones son suficientes para determinar las masas individuales. Las observaciones de los movimientos orbitales de las estrellas dobles, de los movimientos dinámicos de las estrellas que se mueven colectivamente dentro de sus galaxias y de los movimientos de las propias galaxias verifican que la ley de la gravedad de Newton es válida con un alto grado de precisión en todo el universo visible.
Las mareas oceánicas, fenómenos que desconcertaron a los pensadores durante siglos, también fueron demostradas por Newton como una consecuencia de la ley universal de la gravitación, aunque los detalles de los complicados fenómenos no se comprendieron hasta hace relativamente poco. Son causados específicamente por la atracción gravitatoria de la Luna y, en menor medida, del Sol.
Newton demostró que el abultamiento ecuatorial de la Tierra era consecuencia del equilibrio entre las fuerzas centrífugas de la rotación de la Tierra y las atracciones de cada partícula de la Tierra sobre todas las demás. El valor de la gravedad en la superficie de la Tierra aumenta de forma correspondiente desde el Ecuador hasta los polos. Entre los datos que Newton utilizó para estimar el tamaño de la protuberancia ecuatorial estaban los ajustes de su reloj de péndulo que el astrónomo inglés Edmond Halley tuvo que hacer en el curso de sus observaciones astronómicas en la isla meridional de Santa Elena. Júpiter, que gira más rápido que la Tierra, tiene una protuberancia ecuatorial proporcionalmente mayor, siendo la diferencia entre sus radios polares y ecuatoriales de aproximadamente un 10%. Otro éxito de la teoría de Newton fue su demostración de que los cometas se mueven en órbitas parabólicas bajo la atracción gravitatoria del Sol. En un análisis exhaustivo en los Principia, demostró que el gran cometa de 1680-81 seguía efectivamente una trayectoria parabólica.
En la época de Newton ya se sabía que la Luna no se mueve en una simple órbita kepleriana. Posteriormente, observaciones más precisas de los planetas también mostraron discrepancias con las leyes de Kepler. El movimiento de la Luna es especialmente complejo; sin embargo, aparte de una aceleración a largo plazo debida a las mareas en la Tierra, las complejidades pueden explicarse por la atracción gravitatoria del Sol y los planetas. Las atracciones gravitatorias de los planetas entre sí explican casi todas las características de sus movimientos. No obstante, las excepciones son importantes. Se ha observado que Urano, el séptimo planeta desde el Sol, experimenta variaciones en su movimiento que no pueden explicarse por las perturbaciones de Saturno, Júpiter y los demás planetas. Dos astrónomos del siglo XIX, el británico John Couch Adams y el francés Urbain-Jean-Joseph Le Verrier, asumieron de forma independiente la presencia de un octavo planeta invisible que podía producir las discrepancias observadas. Calcularon su posición a un grado de distancia de donde se descubrió el planeta Neptuno en 1846. Las mediciones del movimiento del planeta más interno, Mercurio, a lo largo de un período prolongado llevaron a los astrónomos a concluir que el eje mayor de la órbita elíptica de este planeta precesa en el espacio a un ritmo de 43 segundos de arco por siglo más rápido de lo que podría explicarse a partir de las perturbaciones de los otros planetas. En este caso, sin embargo, no se pudo encontrar ningún otro cuerpo que pudiera producir esta discrepancia, y parecía necesario modificar muy ligeramente la ley de gravitación de Newton. La teoría de la relatividad de Einstein predice con precisión este comportamiento observado de la órbita de Mercurio.