自転軸の方向が変化する仕組みを理解するには、剛体回転運動に生ずる歳差運動（プリセッション運動）を理解する必要がある。これは、自転する円盤に、その自転軸と直交した軸周りにトルクを加えた場合、円盤自転軸とトルク印加軸それぞれに垂直な軸周りに回転運動をするというものである。今、回転とその向きを右ネジの原理（右ネジをねじ込む際にネジが進む向きを回転の向きとする定義）で考えた場合、プリセッションによる回転の向きは、自転軸の向きをトルク軸へ合わせるように回転させた場合に一致する。別の表現をすると、右手で親指、人さし指、中指をそれぞれ直交するような状態（フレミングの右手の法則のような）にしたとき、人さし指が自転軸の向き、中指がトルク印可軸の向き、親指がプリセッションの向きとなる。

さて、ブーメランがその自転面を垂直から少し傾いた状態で飛行している場合、ブーメランの翼に当たる相対風は自転面内で異なる。すなわち、ブーメランの自転により瞬間的な翼の運動の向きが進行方向に一致している部分（翼の前進側）と、進行方向と逆行している部分（翼の後退側）が現れる。すると、翼の前進側では相対風が大きいことにより揚力が大きくなり、翼の後退側は揚力が小さくなる。ここで想定しているブーメランの飛行状態では、上半分が翼の前進側で揚力が大きくなり、下半分が翼の後退側で揚力が小さくなる。すると、ブーメラン自転面の上端を自転軸向き側に回転させようとするトルク（トルク印可軸の向きは進行の向きと逆向き）が発生する。このトルクで、自転軸の向きがトルク印可軸の向きへ向かって回転するようなプリセッション運動が誘起される。

以上より、ブーメランの剛体としての回転運動と揚力の水平成分の組合わせによる向心力により、ブーメランは旋回軌道を描くことになる。

また、ブーメラン自転面の前方半面（上流側の半面）で発生する揚力の影響で、後方半面（下流側の半面）でのブーメランの翼の迎え角は相対的に小さくなり、後方半面で発生する揚力が前方半面よりも小さくなる。これによってちょうど上記のプリセッション運動の向きのトルクが印可されることになり、このトルクによるプリセッション運動は、ちょうどブーメランの自転面が水平で自転軸が上向になるような回転運動となる。

以上のようなもう1つのプリセッション運動が、旋回して手元に戻って来たブーメランが水平ホバリングするような挙動を示す要因であるとされる。

オーストラリアのアボリジニのブーメランはその翼端が捻ってあるのが特徴である。これによって他のブーメランにはない複雑な軌道を描くことができる。

なお、詳細な理論的分析はまだ不明であるが、2008年3月に宇宙の無重力下（微小重力下）でも地球上と同様にブーメランは手元に戻ってくる運動現象が土井隆雄宇宙飛行士が国際宇宙ステーション米国実験棟「デスティニー」の基地内で行った実証実験により確認された<ref>JAXA 宇宙航空研究開発機構 宇宙ステーション・きぼう　1J/Aミッション（2008年）</ref>。本実験は土井の知人であり2006年にブーメランの競技の一つであるオーストラリアンラウンド種目で、世界一位となった栂井靖弘の提案・依頼に基づくものである。栂井は、出立前に土井に投げ方を指導の上、直径13センチと20センチの紙製ブーメラン2種類を託していた。