El VLBI mide la diferencia de tiempo en la recepción de la señal de microondas emitida por radiofuentes extragalácticas que es recibida en dos o más observatorios. Generalmente, las sesiones de observación se prolongan durante 24 horas y se observan diferentes radiofuentes distribuidas por el cielo. Los observatorios pueden estar situados a grandes distancia; la sensibilidad de las observaciones a la orientación de la Tierra aumenta con el tamaño de la red de VLBI.

Hasta la fecha, se han medido coordenadas geocéntricas de unos 120 emplazamientos, tanto fijos como móviles, empleando la técnica Mark-III (u otra equivalente). Más de la mitad de esas observaciones cuentan con series temporales de datos suficientes como para poder disponer de estimaciones de la velocidad en las tres dimensiones.

De modo análogo, se han determinado las coordenadas celestes de más de 600 radiofuentes. Estas observaciones permiten el establecimiento del Sistema Internacional de Referencia Celeste (ICRS).

El VLBI es la única técnica capaz de medir todas las componentes de la orientación de la Tierra de manera precisa y simultánea.

Actualmente, las determinaciones mediante VLBI de las variaciones de la rotación de la Tierra y de las coordenadas de puntos sobre la corteza y de objetos estelares se realizan de manera periódica y, normalmente, con precisiones estimadas de alrededor de +/-0.2 milisegundos de arco o incluso mejor.