Точная навигация составляет одно из необходимых условий успешной миграции. Даже малейшая ошибка в оценке направления может привести к тому, что птица вообще не попадет туда, куда направлялась. В настоящее время ученым известно несколько систем навигации пернатых. Большинство видов, по-видимому, одновременно могут использовать разные навигационные системы. У птиц имеются также «внутренние часы», помогающие тем из них, кто совершает перелет в дневное время, вносить поправку на движение солнца по небосводу и использовать его в качестве указателя направления миграционного полета.

Эксперименты, проведенные в планетарии с американскими индиговыми овсянками, совершающими перелет по ночам, показали, что эти птицы способны к довольно точной навигации, ориентируясь по положению звезд. Даже молодая птица, совершающая первый в жизни перелет, наблюдает за небом с тем, чтобы по расположению звезд отыскать точку вращения небесной сферы, которая всегда находится строго на севере. Таким образом, вращение Земли вокруг своей оси помогает ночным мигрантам выдерживать правильное направление полета.
Эксперименты с европейскими зарянками позволили установить, что они определяют направление движения по положению магнитного поля Земли. При этом способность к восприятию и оценке земного магнетизма проявляют только те птицы, которые находятся в движении. В голове у некоторых видов пернатых имеются крошечные частички железосодержащего минерала магнетита, которые специфическим образом воздействуют на внутренние нервные окончания.

Так же, как и ориентация по звездам, магнитная ориентация должна учитывать долгосрочные изменения в состоянии глобальных ориентиров. Направление магнитного поля Земли меняется на противоположное через регулярные промежутки времени порядка нескольких сотен тысяч лет. Это совсем немного по сравнению с эволюционной историей птиц, простирающейся а прошлое на десятки миллионов лет. Коррекция положения магнитных полюсов оказывается возможной благодаря тому, что птицы ориентируются по тому острому углу, который магнитные линии образуют с земной поверхностью. Этот угол остается прежним даже тогда, когда расположение магнитных полюсов Земли меняется на противоположное.