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虽然早在1916年，爱因斯坦就预言了引力波的存在。但引力波理论的确立同坐标选择有关，所以爱因斯坦当时并不能确定引力波到底是引力场的固有性质、还是某种虚假的坐标效应。并且，引力波是否从发射源带走能量也是一个十分模糊的问题。此外，引力波探测的难度还不限于理论基础方面，实验设备、实验技术和计算能力的制约也是引力波探测实验的制约条件。
到了20世纪50年代，探测引力波实验的理论探索取得了突破，首先是确立了包括同坐标选择无关的引力辐射理论，求出了爱因斯坦真空方程的一种以光速传播的平面波前、平行射线的严格波动解。继而在20世纪60年代，物理学家通过研究零曲面上的初值问题，证明了引力辐射能够带有能量，检验质量在引力波作用下会发生运动。经过近50年的不懈努力，在理论层面上为探测引力波实验打下了可靠的理论基础。
在实验层面，自20世纪六七十年代，天文学上出现了一系列新发现：例如1965年发现的天鹅座X-1（Cygnus X-1）是人类发现的第一个黑洞候选天体。它是一颗高质量X射线双星，其主星是一颗超巨星，光谱型为B0，伴星名为HDE 226868，是一颗8.9等的变星，直径大约2500万千米。该黑洞从邻近轨道运行的蓝色超级巨恒星中吸取气体，它向内螺旋式释放巨大热量，喷射出高能量X射线和伽马射线。1967年10月，剑桥大学卡文迪许实验室的安东尼·休伊什（Antony Hewish）和他的研究生乔林斯·贝尔-伯内尔（Jocelyn Bell Burnell）在检测射电望远镜收到的信号时无意中发现了一些有规律的脉冲信号，它们的周期十分稳定，为1.337秒。后来人们确认这是一类新的天体，并把它命名为脉冲星（Pulsar）。1974年，美国马萨诸塞大学的罗素·胡尔斯（Russell Hulse）和约瑟夫·泰勒（Joseph Taylor）在波多黎各的阿雷西博通过射电望远镜观测到了脉冲双星PSR1913+16。脉冲双星被观测到，不但证明了爱因斯坦广义相对论的存在，同时由于脉冲双星间的距离在减小，而能够发射充足的引力波的来源并不多，因此脉冲星的发现间接地证明了引力波的存在。这些科学实验对于探测引力波实验来说，无疑是振奋人心的。
引力波强度可用无量纲振幅 h 表示。引力波的第一级分量是质量四极矩随时间变化引起的，引力波的强度可表示为：
其中 G 是引力常数， c 是光速， r 是观测点导波源的距离， Q 是引力波波源的质量四极距，它的定义为：
ρ 是引力波源的质量密度分布函数。
波源的质量四极矩 Q 的表达式很复杂，它曾经被爱因斯坦推导出来，对一些特殊的部位来说会简单一些。
如果用
表示波源内部动能的非球对称部分，则
可近似地表示为：
从而得到：
在远场处，合理地使用平面波近似，可以估算出引力波源的辐射功率为：
致密双星系统是最有可能产生引力波的天体，它们在旋进过程中所发射的引力波功率为：
其中， c 是光速； G 是牛顿引力常数，开始预期系统几何有关的参数。
显然，宇宙中存着在大量的高质量、高密度运动的天体，它们都有可能产生引力辐射。大体上，宇宙中有可能产生引力辐射的主要天体运动有：
对地面上的引力波探测器来说，致密双星系统是首选的引力波源。致密双星系统可以是中子星—中子星、中子星—白矮星、中子星—黑洞、黑洞—黑洞等。这类新体的尺寸一般都比较小，例如中子星直径一般为20千米左右。当双星距离较远，绕转轨道比较稳定时，其辐射的引力波振幅和频率也比较稳定。“一般说来，如果一个引力辐射系统能够在较长时间内（相对观测时间而言）持续辐射较为稳定的引力波信号（包括引力波振幅和频率）则我们称之为连续的引力波源。”
当双星距离较远时，它属于连续的引力波源。但是当双星距离很近时，公转轨道衰减比较明显，它们以较高的频率绕质心转动。这意味着质量四极矩的二阶导数较大，引力波以很高的功率辐射。在接近或处于合并的阶段，其持续时间非常短，合并阶段的双星引力辐射是爆炸性的。计算表明，致命双星系统辐射能量是如此之大，以至于一个彼此相距几千米的双星会在几分钟甚至几秒钟之内失去它们的全部势能。随着时间的增加，引力波的振幅和频率都会增加，直到两个天体足够靠近而合并。
其中，“当双星距离较远，星体的运动速度未达到相对论速度，双星的公转轨道由于引力波辐射造成的衰减比较慢时，后牛顿近似可以很好地描述其引力辐射，该阶段被称为旋进阶段。但是在绕转阶段的晚期和并合时期，通常统称为并合（emerge）阶段，引力场非常强，这时后牛顿近似失效，因此一般采用数值相对论的方法来求解。在双星最后合并成黑洞之后，需要通过引力辐射将多余的自由度辐射掉而变成一个静态的黑洞，这个阶段通常被称为铃宕阶段，其辐射的引力波可以用黑洞振荡的‘准正则（quasi-normal）’模型来解析描述。因此一个双星合并事件的引力辐射模板是由三部分有效叠加而成的，这对引力波信号的搜寻非常重要”。
由此可知，双星合并过程主要分为三个阶段：
其一是旋进阶段。在此阶段上，由于引力辐射带走能量，致命双星的旋绕轨道逐渐从椭圆变成圆形，其辐射的引力波频率也逐渐进入我们在地球上建立的探测器的测量范围之内，在此阶段由于引力辐射不断带走轨道能量，旋绕轨道不断收缩，引力波幅度增大，频率也不断增高，形成一种鸟鸣信号（振幅不断增大、频率不断提高的连续信号）。
绕质心转动的密近双星系统在旋进阶段是最可能的周期性、连续性的引力波源。密近双星系统在旋绕阶段的物理图像是清晰的，数学模型是成熟的，很多参数可以计算出来。假设由质量m1和m2组成的双星系统，两个球状子星各自以角频率 ω 绕质心做轨道运动，辐射的引力波频谱中包含 ω 偶数倍的频率。辐射的功率和频谱取决于星体的质量、轨道半径和轨道偏心 e 。对于双星系统来说，频谱中出现的最低频率为2 ω ，当 e= 0轨道为圆形时，除频率为2 ω 的谐波之外，其余的高次谐波辐射功率都非常小。根据广义相对论可以算出一个轨道为圆形的双星系统，在距它的质心为 R 处，接收到的引力波的无量纲振辐为：
从引力辐射公式可知，要产生强度足以被探测到的引力波，两个子星的质量要足够大、轨道周期要足够短、与探测点的距离也不能太大。
其二是合并阶段。当双星的旋绕轨道达到最内稳定圆时，两个星体将动态地合并在一起。该合并过程的引力辐射是剧烈的、爆发性的，与星体的结构和质量密切相关，这时的引力波携带大量与星体内部结构有关的信息。
其三是铃宕阶断。当两个星体合并后高速旋转时，其发射的引力波具有“余波”的特点，幅度逐渐衰减。
按照天体的演化来看，在恒星演化过程中，当核能耗尽之后，将会发生引力收缩，最后演化成白矮星、中子星或黑洞。一颗恒星演化到末期，会成为上述三类天体中的哪一种完全取决于它的质量。如果仍有物理效应足以同自身引力抗衡，则会形成白矮星或坍缩为中子星等致密天体，否则引力坍缩将一直持续下去，直到形成黑洞。黑洞是致密双星系统中最重要的组成部分，2016年LIGO观测到的引力波信号就是由两个双星系统合并成的黑洞产生的。
在黑洞的形成过程中，会有引力波发射出来。1999年，意大利的V.弗拉里等比较系统地阐述了如何从恒星生成率得到超新星事件率，再从单个源的能谱推广到宇宙学尺度内的所有事件，对红移及超新星质量进行积分，最后得到随机背景的能量密度参数。巴西一个小组也对这一背景引力波进行了大量预算，得到了相近的结果。
如果其引力波爆发时指标远远小于观测指标，我们称之为爆发式的引力波源，这一类引力波事件一般产生于剧烈的爆发事件，如超新星爆发、宇宙弦碰撞、脉冲星的周期跃变现象发生时伴随的引力辐射等。
超新星质量很大又很致密，在经历非常大的加速而坍缩的过程中，对Ⅱ型超新星来说，如果它的核在坍缩时偏离对称轴，将有很强的引力波辐射出来。根据这种引力波的强度和波形，可以用来判断这类超新星爆发的尚未清楚的机制。虽然在超新星爆发过程中会伴随着强烈的引力波辐射，但是由于星体坍缩的物理过程非常复杂，数值计算起来非常困难，以及涉及复杂的数值相对论、中微子效应、流体力学过程、微观物理过程和磁场等的影响，超新星爆发的机制至今仍是一个理论上的难题。因此在该过程中引力辐射的精确预言也有很大的不确定性。
当一颗星体的核燃料耗尽时，它将坍缩成一颗中子星或黑洞。探测中子星或黑洞形成过程中辐射引力波，为理解该星体核坍缩的物理过程、跳动及随后发生的振荡提供重要信息。此外，球状星团内黑洞的生成、星系核和类星体内黑洞的生成，身体被黑洞俘获等天文现象都会产生爆发性引力辐射，引力波探测是发现和研究这类剧烈天体变化过程的最佳方法。2006年，基于当时最长的轴对称超新星爆发数值模拟，C.D.欧特（C.D.Ott）等发现了一种新的产能机制与前中子星内核振荡相关，这种振荡主要表现为g模式，发生在反弹后几百毫秒，典型的持续时间为数百毫秒。这一机制可能是超新星爆发辐射引力波的主导过程，总的辐射能量可能高达10 -4 。S.马拉西（S.Marassi）等利用上述数值进行模拟得到引力波背景能量密度，参数峰值发生在50Hz，达到10 -9 。
新诞生的中子星温度可高达10 9 K量级。这些极大的热量可导致中子星内部不稳定，从而使该星核中的物质被拖曳到“中微子气体”中。这种现象被称为新生中子星的“沸腾”。根据理论估算，这种“沸腾”时间约为0.1秒，该沸腾过程会导致爆发性引力波的产生。
当一个临近坍缩的星核快速自转时，在星核尺度达到中子星的直径之前，它可能因为离心作用而悬起。为收缩到中子星的尺度，它将以引力波的形式把轨道能量释放出来，该引力辐射也是爆发性的。
中子星是旋转的致密星体，它是超新星爆发的遗留天体。一般说来，其质量与太阳质量相当，半径为10千米左右。靠中子简并压与引力达到平衡，是宇宙中最致密的天体之一。中子星绕其自转轴高速旋转，而其电磁信号扫过地球时，人们可以接收到规则的脉冲信号，因此中子星通常表现为脉冲星。当中子星的旋转轴不对称时，其四极矩会随时间变化，可以产生比较强的引力辐射。对于一个给定的旋转中子星，其最强的引力波频率是中子星自转频率的两倍，地面激光干涉仪引力波探测天文台（如LIGO、VIRGO等）可观测的引力波有相当一部分来自旋转比较快的中子星，其自转周期一般为毫秒的量级。通常来说，这种类型的中子星包括两类：一类是年轻的中子星（包括Crab脉冲星、Vela脉冲星等），这类脉冲星还没有来得及自转减速；另一类是老年的毫秒脉冲星，它们一般产生于双星系统，由于吸积其半星的物质后其自转加速而形成。
正在吞噬周围天体的超大质量黑洞也是非常好的连续引力波辐射源，但其频率比较低，一般mHz量级。在地球上探测很困难，但却是太空引力波探测如LISA的有力候选者。
“随机引力波背景更为广泛的定义是大量独立的、微弱的且不可分辨的引力波信号叠加形成的一种随机引力波信号，其随机性意味着它只能由统计学量来描述。”
它来源于极早期宇宙发生的众多物理过程所产生的原初引力波，传播到现在形成宇宙中的一种引力波背景，非常类似宇宙中的微波背景辐射。
根据广义相对论，大量宇宙学的或天体物理的现象均可以产生引力波，宇宙中存在着大量的引力波源连续爆发。由于数量巨大，分配范围极广，它们发射的引力波相互叠加，形成一种随机背景引力辐射。因此可以很自然地认为，我们“沐浴”在一个引力辐射的随机背景下。这种随机背景引力波是引力波探测的重要目标之一，随机背景引力辐射主要由以下几种成分组成。
1.数量庞大的密近双星系统辐射的连续引力波
双星系统在宇宙中是广泛存在的，其子星质量、轨道周期、轨道偏心率以及到地球的距离大多数是不相同的，到达地球的引力波的频率成分和强度也各有不同。它们相互叠加形成随机背景引力辐射的一部分。
2.黑洞形成前期发射的引力波
质量超过2.4倍太阳质量的主序星在演化后期，恒星星体的简并中子气体向外膨胀的力已经不能抵消恒星星体质量产生的自引力，星体不断坍缩，直至变成黑洞。在即将变成黑洞之前，由于存在高密度物质的剧烈的非轴对称运动，引力波产生，这种引力辐射是爆发型的。它也构成随机背景引力辐射的一部分。
3.天体物理背景
大量的、不可分辨的天体引力波源产生的引力波信号叠加在一起，形成一种引力波背景，这种天体物理背景引力波的探测将提供宇宙中恒星形成或星系活动的信息。但是，如何在探测器的输出数据中寻找并区分两种不同起源的随机引力波背景，是一个很重要也颇具挑战性的问题。
4.宇宙大爆炸时的遗迹引力辐射
除了上述天体物理过程产生的引力波背景之外，还有一类非常重要的随机引力波背景起源于宇宙的膨胀与演化过程，因此被称为宇宙学起源的背景引力波。这一类引力波源也可能来自宇宙演化的不同阶段，包括宇宙暴胀时期形成的原初引力波，宇宙重加热过程产生的引力波，早期宇宙相变过程产生的引力波。宇宙弦等大尺度结构的运动与演化过程中产生的引力波，其中最重要的原初引力波部分是目前最确定存在的一种宇宙背景引力波源。