Kada ne bi bilo uzajamnog gravitacionog dejstva među nebeskim telima, Zemljina osa bi zadržala svoju orijentaciju u prostoru, Zemljina putanja bi bila nepromenljiva, a njene ravnodnevičke i solsticijalne tačke nepomične. Godišnji tok osunčavanja Zemlje ponavljao bi se iz godine u godinu. To, međutim, nije slučaj.
Prvi astronomski parametar koji remeti ovo pretpostavljeno stanje je precesija Zemljine ose rotacije. Ovu pojavu otkrio je, 130-te godine pre nove ere grčki astronom Hiparh. On je, na osnovu podataka astronomskih osmatranja, zapazio da se tačka prolećne ravnodnevice pomera duž prividne Sunčeve putanje na nebu-ekliptike, i to u susret Sunčevom godišnjem kretanju. Njutn je, primenom svog zakona gravitacije otkrio pravi uzrok i čitav mehanizam precesije. U svom delu „Philosophiae naturalis principia mathematica” objavljenom 1687. godine, Njutn je istražio neravnomernosti kretanja Meseca i ustanovio da Sunce, kao poremećajno telo, izaziva jednu retrogradnu rotaciju čvorova ravni Mesečeve putanje, zatim je dokazao da spljoštenost Zemlje mora imati za posledicu sličnu pojavu, tj. da čvorovi Zemljine ekvatorske ravni (ekvinocijske tačke) moraju izvoditi jedno slično kretanje suprotno dnevnom obrtanju Zemlje, upravo ono koje je astronomskim posmatranjima uočeno.
Ta pojava pomeranja tačaka ravnodnevica prouzrokovana je time što se, kako Milanković ističe „naša Zemlja ne vrti kao točak na preslici, nego ona igra kao čigra kojoj se osa zaošijava.” Naime, Zemljina osa nema stalnu orijentaciju u prostoru, nego se ta osa polagano zaokreće oko jedne druge ose koja stoji uspravno na ekliptici. Prodori Zemljine ose sa nebeskim svodom su nebeski polovi, i oni se raspoznaju po tome što se oko njih prividno celo nebo obrće.
Pri razmatranju mehanizma precesije, Milanković je, kao što je i Njutn učinio, uzeo u obzir spljoštenost Zemlje, jer samo u tom slučaju sila kojom Sunce ili Mesec privlače Zemlju ispoljava obrtni moment u odnosu na centar mase Zemlje. Kao posledica permanentnog dejstva obrtnog momenta Sunčevog i Mesečevog privlačenja Zemlje javlja se retrogradno kretanje čvornih (ekvinocijalnih) tačaka, duž Zemljine eliptične putanje, i to u susret Sunčevom godišnjem kretanju (u smeru kazaljke na satu). Ukupno dejstvo Sunca i Meseca se naziva lunisolarna precesija, pri čemu dejstvo Meseca, zbog manjeg rastojanja od Zemlje, ima kvantitativno veće dejstvo.
Milanković je matematičkim putem odredio da godišnja vrednost lunisolarne precesije za tropsku godinu iznosi 50“36. Od toga Sunčevo privlačenje iznosi 15“88, a Mesečevo 34“48.
Uzimajući u obzir izračunatu vrednost godišnje lunisolarne precesije, ravnodnevičke tačke, a samim tim i tačke kratkodnevice i dugodnevice će za vreme od 25.735 godina, dakle u vremenskom intervalu približno 26.000 godina, opisati pun krug (360°). Ovaj interval ponekad se naziva platonskom godinom. Zbog ovog pomeranja ekvinocijalnih tačaka oba nebeska pola opisuju oko pola ekliptike kružne putanje sa radiusom koji približno odgovara nagibu ekliptike.
Međutim, usled uzajamnog delovanja nebeskih tela, velika osa Zemljine eliptične putanje kreće se u susret kardinalnim tačkama, zbog čega te tačke obiđu ovu putanju (od perihela do perihela), odnosno nađu se na istom mestu Zemljine putanje svakih 22.000 godina.
Milankovićevi matematički proračuni i njegova kriva osunčavanja za različite geografske širine pokazali su da je 22.000 godišnja precesiona oscilacija samo jedan element nastanka ledenih doba. Ciklus precesije dominantan je za klimatske promene na nižim geografskim širinama ili u ekvatorijalnom pojasu.
Glavna posledica precesije je da se relativna dužina godišnjih doba tokom vremena ciklično menja.
Zbog precesionog kretanja Zemljine ose prividno se pomeraju nebeski polovi. Danas se severna polarna zvezda nalazi u sazvežđu Malog medveda (zvezda Severnjača), a nakon 14.000 godina, tim imenom zvaće se Vega, sjajna zvezda u sazvežđu Lire. Kroz 26.000 godina vratiće se sve u sadašnje stanje, jer će nebeski pol završiti jedno svoje obilaženje po zvezdanom nebu.
Drugi element rešenja problema ledenih doba vezan je za nagib Zemljine ose prema ekliptici koji se sada menja u rasponu od 22,1° do 24,5°. U svojoj knjizi „Klima i vreme”, objavljenoj 1875. godine, Džejms Krol je, pretpostavio da će do narednog ledenog doba doći kada se osa rotacije Zemlje približi normali, jer na taj način polarne oblasti primaju manju količinu toplote. Ali Krol nije mogao dalje da razvija svoju teoriju, jer Leverije, čije je proračune o promeni nagiba Zemljine ose rotacije i ekscentriciteta koristio, nažalost, nije utvrdio period i amplitudu ovih varijacija. U istoriji nauke, Krol je ipak ostao zapisan kao jedan od pionira astronomske teorije ledenih doba.
Milanković je, takođe, shvatao da je promena nagiba ose rotacije Zemlje od izuzetnog značaja za promenu klime na planeti. Zbog periodične varijabilnosti ovog ugla menjaju se geografski kontrasti i izraženost sezona na Zemlji.
Kada je nagib veći od sadašnjeg, koji iznosi 23,5°, tada severne oblasti primaju veću količinu toplote, sneg i led se povlače i zadržavaju na prostorima koji pripadaju visokim geografskim širinama. Tokom geološke prošlosti Zemlje, događalo se da snega i leda skoro da nigde nije bilo na planeti, posebno u vreme vladavine dinosaurusa, ili geološkog doba krede.
Kada je nagib manji od 23,5° tada polarne oblasti primaju manju količinu toplote od Sunca, led se širi ka južnim uporednicima i nastaju uslovi za razvoj ledenog doba. Takvih primera je bilo tokom geološke istorije Zemlje, a u geološko doba kvartara, koje je Milanković posebno proučavao, više njih se naizmenično smenjivalo na našoj planeti.
Primenivši svoj matematički aparat, Milanković je potvrdio da promena nagiba ose rotacije Zemlje odgovara periodu od 41.000 godina. Za razliku od uticaja precesionog ciklusa od 22.000 godina koji je manji na polovima, a raste idući ka ekvatoru, uticaj ciklusa nagiba ose rotacije dominira kod visokih geografskih širina i smanjuje se idući ka ekvatoru.
Treći element rešenja problema ledenih doba odnosi se na ekscentricitet Zemljine putanje oko Sunca. Oblik putanje Zemlje oko Sunca tokom vremena, menja se od približno kružnog do slabije elipsoidnog (promene se kreću u opsegu od 0 do 6%). Ove oscilacije su od neposrednog značaja za glacijaciju, odnosno za klimu Zemlje, zbog promene rastojanja Zemlje od Sunca.
Usled promene rastojanja od Sunca, menja se dotok Sunčevog zračenja koje dospeva do Zemljine površine (pri čemu se naizmenično smanjuje ili povećava količina zračenja prispelog na Zemljinu površinu), kao i dužina trajanja godišnjih doba.
Milanković je i ovaj treći element uveo u svoje proračune sekularnih promena osunčavanja Zemlje, shvatajući da se on značajno menjao u toku geološke prošlosti. Iako su te promene naizgled male, ipak su odigrale bitan uticaj na klimu. Prema astronomskim proračunima, uočava se da sekularne promene ekscentriciteta Zemljine putanje imaju oscilatorni karakter, pri čemu su periode i amplitude pojedinačnih oscilacija veoma različite, i variraju od 50.000 do 2. 500.000 godina, a najznačajniji su ciklusi od oko 400.000 i 100.000 godina.
Danas, razlika rastojanja Zemlje od Sunca, kada se Zemlja nalazi u afelu (najudaljenija tačka) i perihelu (najbliža tačka), iznosi svega 3%. Ova razlika u rastojanju od 3% odražava se u povećanju Sunčeve energije koju Zemlja prima u januaru mesecu za 6% u odnosu na jul mesec. Kada Zemljina orbita ima najjače izražen oblik elipse, količina Sunčeve energije primljene u perihelu veća je za 20%-30% od one primljene u afelu.
Tako je Milanković pokazao da te tri vrste promena astronomskih karakteristika i njihova povezanost u kretanju naše planete, izazivaju značajne ciklične promene njenog osunčavanja.
„Učenja nebeske mehanike koja su od značaja za moju teoriju odnose se na sekularne poremećaje planeta i Zemljine rotacije. Pri ponovnoj obradi teorije sekularnih poremećaja, išao sam, uvođenjem vektorskih elemenata, sopstvenim putem, i dao sam im jedan oblik, koji je celishodan za njihovu primenu, ne menjajući pri tome rezultate klasične teorije.“
Analizom dobijenih rezultata, Milanković je utvrdio da se u polarnim oblastima najviše ispoljavaju sekularne promene nagiba ose rotacije. U ekvatorijalnom pojasu dominiraju promene ekscentričnosti i precesije, odnosno promene dužine godišnjih doba. Na srednjim geografskim širinama, naročito na 50°-60°, dolaze do izražaja uticaji promena sva tri astronomska elementa. Takođe je uočeno da je 65° severne geografske širine kritična oblast za početak glacijacije.
Na taj način, on je svoj prvi cilj razvoja matematičkog aparata za određivanje efekata promena astronomskih elemenata na sekularni tok osunčavanje planeta postigao.
Danas, u naučnoj literaturi u oblasti paleoklimatologije, varijabilnost ekscentriciteta Zemlje, nagiba njene ose rotacije i precesija, predstavljaju tri dominantna ciklusa, poznata pod nazivom Milankovićevi ciklusi, jer je on definitivno matematički dokazao njihov izuzetno važan uticaj na pojavu i smenu ledenih doba na Zemlji. Sekularne promene godišnjeg toka osunčavanja koje nastaju kao posledica promena navedena tri astronomska elementa superponiraju se u veoma komplikovan tok osunčavanja Zemlje, različit za svaku geografsku širinu, kao i za severnu i južnu hemisferu. Kombinacija 41.000-godišeg ciklusa nagiba ose rotacije, 22.000-godišnjeg ciklusa precesije ravnodnevica i 100.000-godišnjeg ciklusa ekscentriciteta Zemljine putanje, utiče na intenzitet termičkog režima letnjeg i zimskog perioda, time i na širenje, odnosno povlačenje polarnih ledenih kapa i glečera. Veoma hladna leta na severnoj hemisferi, na kojoj se nalazi veći deo kopna, omogućava da se sneg i led zadržavaju do sledeće zime, što dovodi do porasta ledenog pokrivača tokom stotina i hiljada godina. Nasuprot tome, veoma topla leta dovode do povlačenja lednika usled naglog otapanja veće količine leda od one koja se akumulira tokom zime. Milanković je egzaktno matematički utvrdio da ovo povremeno povećanje ili slabljenje primljenog Sunčevog zračenja, usled promene astronomskih elemenata, direktno utiče na klimatski sistem Zemlje, odnosno na pojavu i smenu ledenih i međuledenih doba.
