Do Trái Đất tự quay xung quanh trục của nó và quay quanh Mặt Trời trên quỹ đạo, một vài biến thiên chu kỳ đã diễn ra. Mặc dù các đường cong có một lượng lớn các thành phần có dạng hình sin, nhưng rất ít thành phần là chủ yếu. Milankovitch nghiên cứu các thay đổi trong độ lệch tâm, độ nghiêng và tuế sai trong các chuyển động của Trái Đất. Các thay đổi như vậy trong chuyển động và định hướng làm thay đổi lượng và khu vực nhận bức xạ từ Mặt Trời. Các thay đổi trong các khu vực gần cực bắc được coi là quan trọng vì một lượng lớn đất đai có phản ứng với các thay đổi như vậy nhanh hơn nhiều so với các đại dương.

Hình dạng quỹ đạo

Độ lệch tâm hay hình dạng của quỹ đạo của Trái Đất, dao động từ gần như tròn (độ lệch tâm nhỏ, khoảng 0,005) tới hình elíp vừa phải (độ lệch tâm lớn, khoảng 0,058) và có độ lệch tâm trung bình là 0,028. Thành phần chính của các biến đổi này diễn ra với chu kỳ 413.000 năm (độ biến thiên của độ lệch tâm là ±0,012). Các thành phần khác dao động trong khoảng 95.000 và 136.000 năm và chúng có liên hệ lỏng lẻo trong chu kỳ 100.000 năm (các biến thiên từ -0,03 tới +0,02). Độ lệch tâm hiện tại là 0,017.

Hiện tại, chênh lệch của điểm gần Mặt Trời nhất (điểm cận nhật) và điểm xa nhất (điểm viễn nhật) chỉ là 3,4% (5,1 triệu km). Chênh lệch này có nghĩa là khoảng 6,8% trong chênh lệch của bức xạ Mặt Trời tới Trái Đất. Điểm cận nhật hiện tại diễn ra khoảng ngày 3 tháng 1, trong khi điểm viễn nhật vào khoảng ngày 4 tháng 7. Khi quỹ đạo là elíp nhiều hơn, lượng bức xạ Mặt Trời ở điểm cận nhật sẽ có thể lớn hơn tới 23% so với điểm viễn nhật.

Độ nghiêng trục tự quay

Trục tự quay của Trái Đất có dao động, với sự thay đổi nhỏ khoảng 2,4°. Tuế sai của trục tự quay này diễn ra với chu kỳ khoảng 40.000 năm. Khi độ nghiêng của trục đạt tới 24,5 °, các mùa đông trở nên lạnh hơn và mùa hè trở nên nóng hơn so với khi độ nghiêng chỉ là 22,1 °. Khi độ nghiêng nhỏ hơn thì mùa đông ấm hơn và mùa hè mát hơn.

Hiện tại độ nghiêng của trục tự quay của Trái Đất là khoảng 23,5 ° so với mặt phẳng quỹ đạo.

Các mùa hè mát hơn sẽ là dấu hiệu cho thấy thời kỳ băng hà bắt đầu vì băng đá sẽ tan ít hơn so với lượng băng và tuyết tạo ra từ mùa đông trước đó.

Định hướng trục tự quay

Tuế sai của các điểm phân là sự thay đổi trong hướng của trục tự quay của Trái Đất tương đối so với Mặt Trời ở thời điểm của điểm cận nhật và viễn nhật.

Khi trục tự quay được định hướng để nó hướng tới Mặt Trời ở điểm cận nhật, một bán cầu sẽ có sự chênh lệch lớn hơn giữa các mùa trong khi bán cầu kia sẽ có các mùa ôn hòa hơn. Bán cầu mà mùa hè ở điểm cận nhật sẽ nhận được nhiều bức xạ từ Mặt Trời hơn, nhưng chính nó sẽ có mùa đông ở điểm viễn nhật và do vậy mùa đông sẽ lạnh hơn. Bán cầu còn lại sẽ có mùa đông tương đối ấm hơn và mùa hè mát hơn.

Khi trục tự quay của Trái Đất hướng tới Mặt Trời trong mùa xuân và mùa thu, các bán cầu bắc và nam sẽ có sự tương phản tương tự trong các mùa.

Hiện tại, mùa hè ở bán cầu nam diễn ra khi Trái Đất nằm trong khoảng gần với điểm cận nhật và mùa đông khi Trái Đất ở trong khoảng của điểm viễn nhật. Vì lý do này các mùa của nam bán cầu phải có xu hướng chênh lệch ở một mức độ nào đó so với các mùa của bắc bán cầu.

Độ nghiêng quỹ đạo

Quỹ đạo Trái Đất sẽ nghiêng lên trên hay xuống dưới tương đối so với quỹ đạo hiện tại theo chu kỳ khoảng 70.000 năm. Milankovitch đã không nghiên cứu chuyển động trong không gian ba chiều này.

Các nhà nghiên cứu gần đây nhận ra chuyển động này và chuyển động tương đối của quỹ đạo Trái Đất so với các quỹ đạo của các hành tinh khác. Mặt phẳng cố định là mặt phẳng tượng trưng cho xung lượng góc của hệ Mặt Trời, là xấp xỉ với mặt phẳng quỹ đạo của Mộc Tinh. Độ nghiêng của quỹ đạo Trái Đất có chu kỳ 100.000 năm so với mặt phẳng cố định. Chu kỳ 100.000 năm này gần như phù hợp với mô hình 100.000 năm của thời kỳ băng hà.

Người ta cho rằng đĩa bụi và mảnh vỡ vũ trụ nằm trong mặt phẳng cố định này và nó có ảnh hưởng theo một số cách thức nào đó lên khí hậu Trái Đất. Hiện tại Trái Đất chuyển động ngang qua mặt phẳng này trong khoảng từ ngày 9 tháng 1 đến 9 tháng 7, khi người ta phát hiện bằng ra đa sự gia tăng của các sao băng và các đám mây thuộc tầng meso có liên quan đến hiện tượng sao băng.