Lorsque deux corps célestes de masse comparable interagissent gravitationnellement, tous deux orbitent autour d’un point fixe (le centre de masse des deux corps). Ce point se trouve entre les corps sur la ligne qui les joint à une position telle que les produits de la distance à chaque corps par la masse de chaque corps sont égaux. Ainsi, la Terre et la Lune se déplacent sur des orbites complémentaires autour de leur centre de masse commun. Le mouvement de la Terre a deux conséquences observables. Premièrement, la direction du Soleil vue de la Terre par rapport aux étoiles très lointaines varie chaque mois d’environ 12 secondes d’arc, en plus du mouvement annuel du Soleil. Deuxièmement, la vitesse de la ligne de visée entre la Terre et un vaisseau spatial se déplaçant librement varie chaque mois de 2,04 mètres par seconde, selon des données très précises obtenues par radiopistage. Ces résultats montrent que la Lune a une masse 1/81 fois supérieure à celle de la Terre. Avec de légères modifications, les lois de Kepler restent valables pour des systèmes de deux masses comparables ; les foyers des orbites elliptiques sont les positions des centres de masse des deux corps et, en mettant M1 + M2 au lieu de MS dans l’expression de la troisième loi de Kepler, l’équation (6), la troisième loi se lit : 
Cela concorde avec l’équation (6) lorsqu’un corps est si petit que sa masse peut être négligée. La formule rééchelonnée peut être utilisée pour déterminer les masses séparées des étoiles binaires (paires d’étoiles en orbite l’une autour de l’autre) qui sont à une distance connue du système solaire. L’équation (9) détermine la somme des masses ; et, si R1 et R2 sont les distances des étoiles individuelles par rapport au centre de masse, le rapport des distances doit équilibrer le rapport inverse des masses, et la somme des distances est la distance totale R. En symboles 
Ces relations sont suffisantes pour déterminer les masses individuelles. Les observations des mouvements orbitaux des étoiles doubles, des mouvements dynamiques des étoiles se déplaçant collectivement au sein de leurs galaxies, et des mouvements des galaxies elles-mêmes vérifient que la loi de la gravité de Newton est valable avec un haut degré de précision dans tout l’univers visible.
Les marées océaniques, phénomènes qui ont mystifié les penseurs pendant des siècles, ont également été montrées par Newton comme étant une conséquence de la loi universelle de la gravitation, bien que les détails de ces phénomènes compliqués n’aient été compris que comparativement récemment. Ils sont causés spécifiquement par la force gravitationnelle de la Lune et, dans une moindre mesure, du Soleil.
Newton a montré que le renflement équatorial de la Terre était une conséquence de l’équilibre entre les forces centrifuges de la rotation de la Terre et les attractions de chaque particule de la Terre sur toutes les autres. La valeur de la gravité à la surface de la Terre augmente de manière correspondante de l’équateur aux pôles. Parmi les données que Newton a utilisées pour estimer la taille du bourrelet équatorial figurent les ajustements de son horloge à pendule que l’astronome anglais Edmond Halley a dû effectuer au cours de ses observations astronomiques sur l’île méridionale de Sainte-Hélène. Jupiter, qui tourne plus vite que la Terre, présente un renflement équatorial proportionnellement plus important, la différence entre ses rayons polaire et équatorial étant d’environ 10 %. Un autre succès de la théorie de Newton a été la démonstration que les comètes se déplacent sur des orbites paraboliques sous l’attraction gravitationnelle du Soleil. Dans une analyse approfondie dans les Principia, il a montré que la grande comète de 1680-81 suivait effectivement une trajectoire parabolique.
On savait déjà à l’époque de Newton que la Lune ne se déplace pas sur une simple orbite képlérienne. Plus tard, des observations plus précises des planètes ont également montré des divergences par rapport aux lois de Kepler. Le mouvement de la Lune est particulièrement complexe ; cependant, hormis une accélération à long terme due aux marées sur Terre, les complexités peuvent être expliquées par l’attraction gravitationnelle du Soleil et des planètes. Les attractions gravitationnelles des planètes les unes pour les autres expliquent presque toutes les caractéristiques de leurs mouvements. Les exceptions n’en sont pas moins importantes. On a observé qu’Uranus, la septième planète à partir du Soleil, subissait des variations dans son mouvement qui ne pouvaient être expliquées par les perturbations provenant de Saturne, de Jupiter et des autres planètes. Deux astronomes du XIXe siècle, le Britannique John Couch Adams et le Français Urbain-Jean-Joseph Le Verrier, supposent indépendamment la présence d’une huitième planète invisible qui pourrait produire les écarts observés. Ils ont calculé sa position à un degré près de l’endroit où la planète Neptune a été découverte en 1846. Les mesures du mouvement de la planète la plus intérieure, Mercure, sur une période prolongée ont conduit les astronomes à conclure que le grand axe de l’orbite elliptique de cette planète précède dans l’espace à un taux de 43 secondes d’arc par siècle, plus rapide que ce que l’on pourrait expliquer par les perturbations des autres planètes. Dans ce cas, cependant, aucun autre corps n’a pu être trouvé qui puisse produire cette divergence, et une très légère modification de la loi de la gravitation de Newton semblait nécessaire. La théorie de la relativité d’Einstein prédit précisément ce comportement observé de l’orbite de Mercure.