Quỹ đạo của Sao Thủy là một hình elip rất hẹp, độ dài của bán trục chính là 70 triệu km trong khi bán trục nhỏ chỉ có 46 triệu km. Vận tốc quỹ đạo của Sao Thủy rất cao vì ảnh hưởng trọng lực của Mặt Trời. Sao Thủy quay một vòng chung quanh Mặt Trời vào khoảng 88 ngày – một năm Sao Thủy, do đó, dài bằng 88 ngày của Trái Đất. Biểu đồ bên cạnh minh họa ảnh hưởng của độ lệch tâm, và so sánh giữa quỹ đạo elip của Sao Thủy với quỹ đạo tròn có cùng giá trị bán trục lớn. Hành tinh càng gần điểm cận nhật thì có vận tốc càng lớn như trên hình thể hiện vị trí Thủy Tinh theo khoảng thời gian 5 ngày. Hình vẽ bên cũng thể hiện kích cỡ của các hình cầu tỷ lệ với độ lớn của lực hấp dẫn từ Mặt Trời, lực này tỉ lệ nghịch với khoảng cách đến tâm Mặt Trời. Sự biến đổi trong khoảng cách, kết hợp với cộng hưởng tự quay-quỹ đạo 3:2 của vận tốc quay quanh trục hành tinh, tạo ra sự biến đổi phức tạp của nhiệt độ bề mặt Sao Thủy.[15] Sự cộng hưởng này khiến 1 "ngày" trên Sao Thủy bằng chính xác hai "năm" của Sao Thủy, hay 176 ngày Trái Đất.[73]

Mặt phẳng quỹ đạo của Sao Thủy nghiêng 7 độ so với mặt phẳng quỹ đạo của Trái Đất (mặt phẳng hoàng đạo), như được chỉ ra hình bên (hai đoạn quỹ đạo màu vàng và nâu thể hiện quỹ đạo Sao Thủy cắt qua mặt phẳng hoàng đạo). Do vậy hiện tượng đi qua của Sao Thủy trên đĩa Mặt Trời chỉ xuất hiện khi hành tinh nằm gần giao điểm của mặt phẳng quỹ đạo Sao Thủy với mặt phẳng quỹ đạo Trái Đất và ở giữa đường nối Trái Đất và Mặt Trời. Hiện tượng này xảy ra trung bình sau khoảng 7 năm Trái Đất.[74]

Độ nghiêng trục quay của hành tinh gần như bằng 0,[75] với giá trị tốt nhất đo được bằng 0,027 độ.[6] Giá trị này nhỏ hơn hẳn so với của Sao Mộc, và là hành tinh có độ nghiêng trục quay nhỏ thứ hai với giá trị 3,1 độ. Điều này có nghĩa là một người nếu đứng trên một cực của Sao Thủy, tâm của Mặt Trời không bao giờ mọc cao hơn 2,1 phút cung bên trên đường chân trời.[6]

Ở một số điểm cụ thể trên bề mặt Sao Thủy, một số người có thể nhìn thấy Mặt Trời mọc một nửa đường, sau đó nó quay ngược lại và lại mọc trở lại, tất cả trong cùng một ngày Sao Thủy. Điều này là do trước thời gian xấp xỉ bằng 4 ngày Trái Đất khi hành tinh chuẩn bị đến điểm cận nhật, vận tốc quỹ đạo góc của Sao Thủy bằng vận tốc tự quay quanh trục của hành tinh do vậy chuyển động biểu kiến của Mặt Trời mất đi; càng gần điểm cận nhật hơn, vận tốc quỹ đạo góc của Sao Thủy vượt vận tốc góc tự quay. Từ đây, nếu một người đứng trên Sao Thủy, Mặt Trời hiện lên như là chuyển động theo hướng ngược lại. Bốn ngày sau khi hành tinh đi qua điểm cận nhật, chuyển động biểu kiến của Mặt Trời trở lại bình thường.[15]

Sao Thủy duy trì thời điểm giao hội trong (tiếp cận gần với Trái Đất) trung bình với khoảng thời gian 116 ngày Trái Đất,[2] nhưng khoảng thời gian này có thể thay đổi từ 105 ngày đến 129 ngày do quỹ đạo elip lệch tâm của nó. Sao Thủy có thể cách Trái Đất một khoảng cách 77,3 triệu km,[2] nhưng sẽ không gần hơn Trái Đất một khoảng 80 triệu km cho đến năm 28.622 AD. Lần tiếp cận tới với khoảng cách 82,1 triệu km là vào năm 2679, và khoảng cách 82 triệu km vào năm 4487.[76] Chu kỳ hành tinh chuyển động nghịch hành biểu kiến khi nhìn từ Trái Đất có thể thay đổi từ 8 đến 15 ngày trong khoảng thời gian mỗi lần giao hội trong. Khoảng thời gian biến đổi lớn như vậy là do độ lệch tâm quỹ đạo của Sao Thủy.[15]

Cộng hưởng Tự quay-quỹ đạo

Trong nhiều năm các nhà thiên văn nghĩ rằng Sao Thủy bị khóa đồng bộ với Mặt Trời, nó tự quay được một vòng trong mỗi chu kỳ quỹ đạo và luôn luôn hướng một bán cầu về phía Mặt Trời, giống như một bán cầu của Mặt Trăng luôn hướng về phía Trái Đất. Quan trắc bằng radar năm 1965 chứng minh rằng hành tinh có cộng hưởng Tự quay-quỹ đạo 3:2, hành tinh quay quanh trục được 3 vòng trong 2 chu kỳ quay quanh Mặt Trời; quỹ đạo lệch tâm lớn của Sao Thủy giúp cho quá trình cộng hưởng này được ổn định—ở điểm cận nhật, khi lực thủy triều của Mặt Trời là mạnh nhất, và Mặt Trời gần như đứng yên trên nền trời của Sao Thủy.[77]

Lý do ban đầu mà các nhà thiên văn nghĩ rằng hành tinh bị khóa đồng bộ với Mặt Trời đó là, bất cứ khi nào Sao Thủy ở vị trí tốt nhất cho quan sát từ mặt đất, hành tinh này luôn ở cùng một điểm trong cộng hưởng 3:2, do vậy luôn xuất hiện với cùng một bán cầu. Điều này là do, một cách trùng hợp, chu kỳ tự quay của Sao Thủy gần như bằng chính xác một nửa chu kỳ giao hội khi quan sát từ Trái Đất. Do cộng hưởng tự quay - quỹ đạo 3:2, ngày Mặt Trời (thời gian giữa hai lần Mặt Trời ở điểm cao nhất trên bầu trời) dài bằng 176 ngày Trái Đất.[15] Ngày theo sao (sidereal day, khoảng thời gian để một ngôi sao ở xa xuất hiện lại tại cùng vị trí trên bầu trời, hay chu kỳ tự quay) bằng 58,7 ngày Trái Đất.[15]

Các mô phỏng trên máy tính cho thấy, độ lệch tâm quỹ đạo của Sao Thủy biến đổi hỗn loạn từ giá trị gần 0 (tròn) đến giá trị hơn 0,45 trong hàng triệu năm do ảnh hưởng nhiễu loạn từ các hành tinh khác.[15][78] Độ lệch tâm quỹ đạo lớn có thể là nguyên nhân giải thích cộng hưởng tự quay - quỹ đạo 3:2 (so với hiện tượng khóa thủy triều 1:1), do trạng thái này thường xuất hiện ở những vật thể có độ lệch tâm quỹ đạo lớn.[79] Mô phỏng cũng cho kết quả trong tương lai do ảnh hưởng hấp dẫn của Sao Mộc làm tăng độ dài khoảng cách của điểm cận nhật trên quỹ đạo Sao Thủy và có 1% khả năng hành tinh này sẽ va chạm với Sao Kim trong khoảng 5 tỷ năm nữa.[80][81]

Sự tiến động của điểm cận nhật

Năm 1859, nhà toán học và thiên văn học người Pháp Urbain Le Verrier thông báo phát hiện ra sự tiến động rất chậm của điểm cận nhật quỹ đạo Sao Thủy xung quanh Mặt Trời mà không thể giải thích đầy đủ bằng định luật vạn vật hấp dẫn của Newton và bởi lý thuyết nhiễu loạn do ảnh hưởng của các hành tinh khác. Ông nêu ra một số cách giải thích, bao gồm tồn tại một hành tinh chưa được phát hiện (hoặc có lẽ một vành đai các vật thể nhỏ) tồn tại bên trong quỹ đạo giữa Mặt Trời và Sao Thủy, để tính đến nhiễu loạn do "hành tinh bí ẩn" gây ra.[82] Có người thì đề xuất hiện tượng tiến động điểm cận nhật là do Mặt Trời không phải là hình cầu lý tưởng mà nó hơi phình ra tại xích đạo. Do phát hiện thành công Sao Hải Vương dựa trên những tính toán nhiễu loạn quỹ đạo của Sao Thiên Vương khiến nhiều nhà thiên văn học tin rằng tồn tại một hành tinh chưa khám phá ở gần Mặt Trời mà họ đặt tên là "Vulcan", nhưng họ không bao giờ tìm thấy nó.[83]

Sự tiến động của điểm cận nhật của quỹ đạo Sao Thủy bằng 5600 giây cung (1,5556°) trên một thế kỷ, trong khi giá trị này của Trái Đất bằng 574,10±0,65 giây cung trên một thế kỷ[84] so với hệ quy chiếu thiên cầu chuẩn (ICFR). Cơ học Newton, tính đến ảnh hưởng của mọi hành tinh khác trong Hệ Mặt Trời, tính ra giá trị tiến động bằng 5557 giây cung (1,5436°) (lệch 43") trên một thế kỷ.[84] Năm 1915, lý thuyết tương đối tổng quát của Albert Einstein thành công khi giải thích hiện tượng này. Lực hấp dẫn là hệ quả của sự uốn cong không thời gian và ông tính ra sự tiến động của điểm cận nhật Sao Thủy do ảnh hưởng của độ cong không thời gian bằng 42,98" trên một thế kỷ. Kết quả này mang lại niềm tin tưởng sâu sắc của Einstein rằng cuối cùng ông đã tìm ra dạng đúng của phương trình trường của thuyết tương đối rộng. Tiên đoán của thuyết tương đối rộng về sự tiến động của điểm cận nhật cũng đúng cho các hành tinh khác: 8,62" trên một thế kỷ đối với Sao Kim, 3,84" cho Trái Đất, 1,35" cho Sao Hỏa, và 10,05" cho tiểu hành tinh 1566 Icarus.[85][86]