Hình minh họa quỹ đạo Sao Kim từ 1/1/2008 đến 1/1/2009 quay quanh Mặt Trời khoảng 108 triệu kilômét (khoảng 0.7 AU) và hoàn thành xong một chu kỳ quỹ đạo mỗi 224,65 ngày. Venus là hành tinh thứ hai từ Mặt Trời và quỹ đạo quanh mặt trời ít hơn 1.6 lần (đường bay màu vàng) so với 365 ngày của Trái Đất (đường bay màu xanh)Quỹ đạo và vị trí của Sao Kim cách đều khoảng 10 ngày Trái Đất trong khoảng thời gian 0 đến 250 ngày. Trên hình vẽ này, Sao Kim có chiều tự quay quanh trục cùng chiều kim đồng hồ và quay quanh Mặt Trời theo chiều ngược chiều kim đồng hồ.Minh họa sự tự quay của hành tinh.

Quỹ đạo Sao Kim quanh Mặt Trời có khoảng cách trung bình bằng 0,72 AU (108.000.000 km; 67.000.000 mi), và hoàn thành một chu kỳ quỹ đạo khoảng 224,65 ngày. Mặc dù mọi hành tinh có quỹ đạo hình elip, quỹ đạo Sao Kim có dạng gần tròn nhất, với độ lệch tâm quỹ đạo nhỏ hơn 0,01.[2] Do Sao Kim nằm giữa Trái Đất và Mặt Trời, có một vị trí của hành tinh đó là giao hội trong, khi đó khoảng cách giữa nó với Trái Đất là khoảng cách ngắn nhất từ Trái Đất đến các hành tinh khác với giá trị 41 triệu km.[2] Trung bình, hai hành tinh đạt đến vị trí giao hội trong khoảng thời gian cách nhau 584 ngày.[2] Do hiện nay độ lệch tâm quỹ đạo của Trái Đất đang giảm dần, khoảng cách cực tiểu này sẽ tăng nhiều hơn trong hàng chục nghìn năm tới. Từ năm 1 tới 5383, đã và sẽ có tổng cộng 526 lần tiếp cận với khoảng cách nhỏ hơn 40 triệu km; sau đó không có một lần nào với khoảng cách nhỏ hơn 40 triệu km trong vòng 60.158 năm.[70] Trong thời gian có độ lệch tâm quỹ đạo lớn hơn, Sao Kim có thể đến gần Trái Đất với khoảng cách bằng 38,2 triệu km.[2]

Mọi hành tinh trong Hệ Mặt Trời quay trên quỹ đạo theo chiều ngược chiều kim đồng hồ khi nhìn từ trên cực bắc của Mặt Trời. Hầu hết các hành tinh có chiều tự quay quanh trục của nó theo chiều ngược chiều kim đồng hồ, nhưng Sao Kim lại quay quanh trục cùng chiều kim đồng hồ (gọi là sự quay nghịch hành) với khoảng thời gian 243 ngày Trái Đất—tốc độ tự quay chậm nhất của mọi hành tinh trong Hệ Mặt Trời. Do vậy một "ngày" (thời gian sao-sidereal day) trên Sao Kim dài hơn một "năm" của Sao Kim (243 ngày so với 224,7 ngày Trái Đất). Tại đường xích đạo Sao Kim, tốc độ tự quay của nó bằng 6,5 km/h, trong khi tốc độ quay tại xích đạo của Trái Đất bằng 1.670 km/h.[71] Các nhà khoa học cũng nhận thấy tốc độ tự quay của Sao Kim đã chậm đi 6,5 phút trên một "ngày" Sao Kim kể từ khi tàu Magellan tới hành tinh tháng 10 năm 1990.[72] Bởi vì sự quay nghịch hành, độ dài một ngày Mặt Trời (solar day) trên Sao Kim ngắn hơn nhiều ngày sao (sidereal day), bằng 116,75 ngày Trái Đất (ngày mặt trời của Sao Kim ngắn hơn ngày mặt trời của Sao Thủy bằng 176 ngày Trái Đất); một năm Sao Kim bằng 1,92 ngày mặt trời Sao Kim.[8] Nếu một người có thể đứng trên Sao Kim và bầu khí quyển khá loãng, anh/chị ta sẽ thấy Mặt Trời mọc ở đằng tây và lặn ở đằng đông.[8]

Sao Kim có thể đã hình thành từ một đám mây phân tử với chu kỳ quay và độ nghiêng trục quay khác, và nó đạt đến trạng thái hiện tại bởi vì sự thay đổi tốc độ sự tự quay một cách hỗn loạn do nhiễu loạn giữa các hành tinh và hiệu ứng thủy triều tác dụng lên khí quyển dày đặc của nó, sự thay đổi trở thành đáng kể sau thời gian hàng tỷ năm lịch sử. Chu kỳ tự quay của Sao Kim thể hiện trạng thái cân bằng giữa hiện tượng khóa thủy triều do ảnh hưởng hấp dẫn của Mặt Trời, có xu hướng làm chậm sự tự quay của hành tinh, và bởi hiện tượng thủy triều trong khí quyển hành tinh do tác động nhiệt của bức xạ năng lượng Mặt Trời làm nóng bầu khí quyền dày của hành tinh trong quá khứ.[73][74] Một điểm kỳ lạ giữa chu kỳ quỹ đạo và chu kỳ tự quay của Sao Kim đó là khoảng thời gian trung bình 584 ngày giữa hai lần tiếp cận gần nhau với Trái Đất bằng gần như chính xác 5 ngày mặt trời Sao Kim.[75] Tuy nhiên, giả thuyết cộng hưởng quỹ đạo và sự tự quay của Sao Kim với Trái Đất đã bị bác bỏ.[76]

Sao Kim không có vệ tinh tự nhiên,[77] mặc dù tiểu hành tinh 2002 VE68 hiện tại đang có mối liên hệ giả quỹ đạo với hành tinh này.[78][79] Bên cạnh giả vệ tinh này, nó cũng có hai vật thể cùng quay trên quỹ đạo, 2001 CK32 và 2012 XE133. Trong thế kỷ XVII, nhà thiên văn Giovanni Cassini công bố ông đã phát hiện ra một vệ tinh quay quanh Sao Kim, mà ông đặt tên là Neith và đã có nhiều cố gắng quan sát và công bố trong suốt 200 năm sau đó, nhưng đa số những phát hiện kiểu này là do nhầm lẫn vệ tinh giả thuyết với một ngôi sao ở xa khi Sao Kim đến gần nó. Trong một mô hình nghiên cứu của Alex Alemi David Stevenson năm 2006 về Hệ Mặt Trời sơ khai tại Học viện công nghệ California cho thấy Sao Kim có thể đã từng có ít nhất một Mặt Trăng hình thành từ sự va chạm giữa nó và một thiên thể khác hàng tỷ năm trước.[80] Khoảng thời gian 10 triệu năm sau cú va chạm, theo nghiên cứu của họ, một vụ va chạm khác xảy ra làm đảo ngược hướng tự quay của hành tinh và làm cho vệ tinh tự nhiên của Sao Kim dần dần theo thời gian tiến về phía hành tinh và cuối cùng va chạm vào Sao Kim.[81] Nếu cú va chạm sau sinh ra một Mặt Trăng khác, nó cũng sẽ bị rơi và hấp thụ theo như cách của vệ tinh trước. Một phương án giải thích khác, do ảnh hưởng hấp dẫn thủy triều rất mạnh của Mặt Trời dẫn đến sự mất ổn định trong quỹ đạo của vệ tinh quay quanh Sao Kim hoặc Sao Thủy, nên theo thời gian hai hành tinh này hoặc hút và va chạm với vệ tinh hoặc vệ tinh bay thoát khỏi lực hút hấp dẫn của chúng.[77]