在17世紀80年代，偉大的物理學家年頓發現了萬有引力定律，指出任何有質量的物體之間都存在著萬有引力，使之具有相互吸引的趨勢，這個引力的數值與兩者的質量乘積成正比，與它們之間距離的平方值成反比。萬有引力的提出，揭示了宇宙中所有物質的基本運動規律，特別對于宇宙中的大質量天體來說，對其運行特點以及軌道特征的研究具有重要意義，從而奠定了宇宙天體力學的基礎。
宇宙中的所有天體，在其形成演化的過程中，其吸聚的眾多星際氣體和塵埃物質本身具有的角動量，最后全部轉化為天體本身以及圍繞天體運行天體的角動量，使天體呈現周期性的自轉，同時圍繞著天體運行的其它物質也以一定的周期圍繞其公轉。而從圍繞天體運行的物體來看，其在圍繞大質量天體公轉的過程中，所受到天體的萬有引力形成的重力加速度，正好與公轉時的向心加速度相同，于是該物體就可以圍繞著該天體做勻速的圓周運動，距離天體越近，則所需要的向心加速度就越大，物體要保持穩定的公轉，其水平方向上的運動速度就要越快。
在牛頓發現萬有引力定律之后，Bonnet將一個天體圍繞另外一個天體公轉的速度問題，表述為在許多等效的獨立力場作用下，所有分力場共同推動產生的等效綜合加速度起到的效果，其數值等于各個獨立力場所形成的等效速度平方和的算術平方根。那么，對處于勻速圓周運動的天體來說，表現出來的分力場效果將最終集中在運動軌跡的切向方向和法向方向上，其中切向方向上的速度為線速度，法向方向上的速度為引力源對其的拉力效果。當物體圍繞天體公轉的線速度不夠時，即沿著切向方向移動的距離，達不到因物體移動所“拉開”的與天體之間的空間距離時，那么這個由萬有引力引發的拉力，將會使物體的運動軌跡不斷向引力源中心“墜落”。
基于上述原理，科學家們在判斷一個物體能否圍繞該天體正常運行時，引入了第一、第二和第三宇宙速度的概念，它們分別表示可以環繞地球運行、脫離地球引力束縛、脫離太陽系引力束縛3種條件下的最低水平運行速度。這3個最低速度的推導，其實應用的都是牛頓萬有引力公式和向心力公式，先找到物體能夠圍繞引力源運行的臨界速度，這個速度值為V1＝Sqrt(GM/r)，其中G為引力常數、M為引力源質量、r為物體與引力源中心的距離。
對于第一宇宙速度來說，就是可以達到物體圍繞地球做勻速圓周運行的最小速度，通過代入數值計算，可以得出V1＝7.9公里每秒，而實際我們發射衛星、航天器時，由于大氣層的存在，不可能貼近地面繞行，必須遠離一定的高度，一般需要在120公里以上，因此考慮到這個因素，第一宇宙的數值會有所下降，大約為7.8公里每秒。
對于第二宇宙速度來說，因為它是需要脫離引力源引力束縛的最小速度，因此在判斷這個臨界值時，考慮的是物體的動能剛好等于物體的重力勢能，即1/2*m*V2^2= G*M*m/r，然后推導出V2=Sqrt(2GM/r)，可以看出，第二宇宙速度的值是第一宇宙速度的根號2倍。當以地球為引力源時，那么將相關數值代入，可以計算出V2＝11.2公里每秒。
對于第三宇宙速度來說，它是脫離太陽引力束縛所需要的最小速度，那么參照第二宇宙速度的計算方法，我們可以計算出這個速度的臨界值為42.2公里每秒，然而這個速度并不是能夠脫離太陽引力束縛的最小值，因為如果在地球上發射一個人造物體，那么其本身也會因地球圍繞太陽公轉而產生初始的29.8公里每秒的線速度，所以在兩個速度差V’=42.2-29.8＝12.4公里每秒的基礎上，加上克服地球引力做功的因素，我們可以得出：1/2*m*V3^2-G*M*m/r=1/2*m*V’^2，而G*M*m/r＝1/2*m*V2^2，因此可以計算出V3＝16.7公里每秒。
從以上三種宇宙速度的臨界值我們可以看出，當從地球上發射物體時，其水平切向速度如果小于V1，則最終會降回地面；當介于V1（包含）和V2之間時，會圍繞地球做勻速圓周運動；當介于V2（包含）和V3之間時，會圍繞太陽做勻速圓周運動；當大于等于V3時，會脫離太陽引力束縛。我們在上世紀發射的旅行者1號目前的速度已經超過16.7公里每秒這個第三宇宙速度，因此它最終將會飛向太陽系之外。
當然，按照這個規律進行推測，勢必存在著這樣的一個臨界值，那就是脫離銀河系的最低速度，即第四宇宙速度，那么為何大家很少提及這個速度呢？原因就在于以目前的科學技術水平，我們距離能夠將發射的人造物體達到此速度方面還有很大的差距，同時銀河系的整體質量目前科學界還沒有統一的定論，而根據萬有引力推導出來第四宇宙速度必須要明確銀河系的整體質量，因此只能通過估算銀河系的質量范圍，來確定第四宇宙速度的區間，計算結果為110-120公里每秒之間。
另外，即使以這樣的速度運行，由于從地球發射的物體到達銀河系邊緣的距離非常遙遠，達到7.5萬光年左右，因此理論上物體飛離銀河系所需的時間得需要1.8億年，這么長的時間對于人類文明來說，發射這樣的物體根本沒有任何意義。
