Zacznijmy od wyjaśnienia, jak w ogólnej teorii względności rozumiana jest czasoprzestrzeń. Otóż czasoprzestrzeń jest rozumiana jako zbiór zdarzeń wyposażony w pewną strukturę, która jednocześnie opisuje geometrię tego zbioru (w tym relacje czasowe i przestrzenne pomiędzy zdarzeniami), jak i pole grawitacyjne. Zbiór zdarzeń modelowany jest poprzez czterowymiarową rozmaitość różniczkowalną, a geometria i pole grawitacyjne opisane są przez tzw. metrykę, będącą pewnego rodzaju polem tensorowym określonym na wspomnianej rozmaitości.

Ścisła definicja fali grawitacyjnej ma postać dość skomplikowanych i mało intuicyjnych warunków nałożonych na metrykę (co nieco na ten temat można przeczytać tutaj). W dużym uproszczeniu można powiedzieć, że z punktu widzenia układu odniesienia definiującego lokalny rozkład czasoprzestrzeni na czas i przestrzeń, fala grawitacyjna przejawia się zaburzeniem metryki rozchodzącym się w owej przestrzeni (choć nie każde takie zaburzenie jest falą grawitacyjną).