Khi vận tốc của vật thay đổi theo thời gian, người ta có thể sử dụng khái niệm vận tốc trung bình. Vận tốc trung bình trong một khoảng thời gian nhất định được định nghĩa là tỉ số giữa sự thay đổi vị trí trong khoảng thời gian đang xét và khoảng thời gian đó. Phương trình toán học như sau:

v t b = r − r 0 t − t 0 = Δ r Δ t {\displaystyle \mathbf {v_{tb}} ={\frac {\mathbf {r} -\mathbf {r} _{0}}{t-t_{0}}}={\frac {\Delta {\mathbf {r} }}{\Delta t}}}

• v t b {\displaystyle \mathbf {v_{tb}} } : vận tốc trung bình
• r {\displaystyle \mathbf {r} } : vị trí cuối
• r 0 {\displaystyle \mathbf {r} _{0}} : vị trí đầu
• t {\displaystyle t} : thời điểm cuối
• t 0 {\displaystyle t_{0}} : thời điểm đầu
• kết quả phép trừ vector r − r 0 {\displaystyle \mathbf {r} -\mathbf {r} _{0}} còn gọi là độ dịch chuyển

Vận tốc trung bình trên những khoảng thời gian khác nhau có thể mang những giá trị khác nhau.

Thêm nữa, cần phân biệt với tốc độ trung bình được định nghĩa là tổng quãng đường đi được chia cho khoảng thời gian được xét:

v ¯ = s ¯ t = s ¯ 1 + s ¯ 2 + . . . + s ¯ n t 1 + t 2 + . . . + t n {\displaystyle {\bar {v}}={\frac {\bar {s}}{t}}={\frac {{\bar {s}}_{1}+{\bar {s}}_{2}+...+{\bar {s}}_{n}}{t_{1}+t_{2}+...+t_{n}}}}

• v ¯ {\displaystyle {\bar {v}}} : tốc độ trung bình
• s: tổng quãng đường đi được trong khoảng thời gian
• t: khoảng thời gian
• s1, s2,..., sn là những quãng đường thành phần đi được trong các khoảng thời gian thành phần t1, t2,..., tn

Theo định nghĩa này, tốc độ trung bình không phải là độ lớn của vận tốc trung bình.

Khi nghiên cứu chuyển động biến đổi một cách chi tiết và chính xác, một đại lượng quan trọng hơn vận tốc trung bình được sử dụng. Đó là vận tốc tức thời.