地磁北南极是根据地壳体铁磁物质的分布确定的，而地理北南极是根据地球自转轴确定的，它们之间不一致，存在一个磁偏角。在地球上某个地点的磁子午线是一条指向地磁北的方向线，磁罗盘的磁针指向是这条磁子午线，因此用磁罗盘可建立磁航向基准。中国在公元前2000多年就发明了指南针，它是磁罗盘早期雏形。利用磁针定向原理做成的仪表叫永磁式磁罗盘，它是飞机上最早应用的航向仪表。单纯的永磁式磁罗盘因晃动不稳定，在飞机加速飞行、转弯或机动飞行时会产生大的测量误差，已被淘汰。
陀螺磁罗盘把磁罗盘和
二自由度陀螺仪组合起来，由磁传感器（主要是磁罗盘）、航向向在磁子午线方向的特点，二自由度航向陀螺具有良好的指向稳定性，但它不具备自动寻磁子午线的能力。陀螺磁罗盘利用了它们各自的特点，并使图中的陀螺机构即二自由度
航向陀螺仪的航向指向受
磁传感器控制，建立磁航向基准。当飞机飞行方向改变时为驾驶员提供磁航向角指示，又能指示飞机转弯角度。除永磁式磁罗盘外，感受地磁场的还有地磁感应元件，做成感应式磁传感器。飞机上的陀螺磁罗盘主要采用感应式磁传感器，因而也称感应式陀螺磁罗盘。
(1)
磁传感器：陀螺磁罗盘的地磁敏感部分，用来测量飞机的磁航向，并输出磁航向信号。磁传感器有两种，一种是永磁式，一种是感应式。永磁式是利用磁棒来感应地磁，测量精度较低且体积较大；感应式则利用地磁感应元件来感测地磁，应用较多。磁传感器一般安装在飞机翼尖等飞机磁场影响较小的地方。
(2)陀螺机构：陀螺机构用来稳定磁传感器测出的磁航向信号。陀螺机构相当于一个陀螺半罗盘（
航向陀螺仪），它受磁传感器控制，同时磁传感器又通过它输出稳定的航向信号给航向指示器。
磁传感器包括地磁感应元件和
电位器。地磁感应元件用来测量
磁航向，磁电位器则用来复现磁航向信息。磁电位器由环形电阻和一对
电刷组成。环形电阻上有三个互隔120°的固定抽头，分别与指示器和陀螺电位器的三个电刷连接，磁电位器的磁航向由电阻与电刷之间的相对位置确定。陀螺机构为一航向陀螺仪，其外环轴上固定一个环形电阻，该环形电阻与三个电刷组成陀螺电位器，环形电阻直径两端处接有电源。陀螺电位器的三个抽头与磁传感器中环形电阻相隔120°的三个固定抽头相连接，组成一个伺服同步装置。当磁电位器所反映的磁航向角与陀螺电位器反映的航向基准不一致，出现失调角，即产生失调电压时，磁电位器的一对电刷a与b端就会输出失调电压，该
失调电压经
放大器放大后，驱动协调电机经减速器带动陀螺电位器上的电刷转动，直至失调电压为零。这意味着陀螺电位器的航向基准与磁电位器的磁航向同步。陀螺电位器还与指示器组成一个伺服同步装置。指示器中有
伺服电动机、
减速器、伺服电位器。陀螺电位器在建立磁航向的过程中，通过伺服同步装置的工作，将磁航向信号传递给指示器。指示器的伺服电动机工作，通过减速器转动航向刻度盘，将磁航向基准在刻度盘上反映出来。此时刻度盘上的航向基准线（即0～180°线）与指示器上代表飞机纵轴的指标的夹角，即为该罗盘所测飞机的磁航向。罗盘指示的航向取决于陀螺机构的陀螺电位器所确定的航向。通常指示器上有磁差修正的机械调整装置，将磁差修正值加到磁航向中，指示器则指示真航向。
陀螺磁罗盘既能测量飞机航向，又可比较准确地指示出飞机的转弯角速度。平飞时，利用
磁传感器测量飞机的磁航向，然后通过陀螺机构控制指示器的指针，使它指示出飞机的磁航向。飞机转弯时，为防止磁传感器对磁航向的错误修正，监视飞机的偏航速率，经角速度传感器切除修正信号，使飞机在改变航向时，航向基准完全由航向陀螺仪来稳定，指示出飞机的转弯角度。