רכב מחקר על מאדים אינו יכול לחכות להוראה מכדור הארץ לפני כל אבן. מערכת ניווט אוטונומית מאפשרת לו לבחון את השטח, לזהות מכשולים ולבחור מסלול מקומי לעבר יעד שהוגדר. בני האדם קובעים את המטרה ואת הגבולות, והמערכת מטפלת בחלק מההחלטות בדרך.
המחזור הבסיסי מחבר חישה, הערכת מצב, תכנון ובקרה. מצלמות או חיישנים אחרים מספקים נתונים; תוכנה בונה תמונה של הסביבה; מנגנון תכנון בוחר פעולה; והבקרה מפעילה מנועים או מכשירים. המידע שמתקבל אחרי הפעולה מאפשר לתקן את המסלול. בינה מלאכותית יכולה להשתתף בתהליך, אך לא כל מערכת אוטונומית מבוססת על מודל שפה.
יש מערכות כאלה ברובוטיקה ובחקר החלל, ברמות שונות של עצמאות. ״אוטונומי״ אינו אומר שהמערכת מסוגלת להתמודד עם כל מצב: תמיד חשוב לברר באילו תנאים היא פועלת ומתי אדם נדרש להתערב. היכולת מתקשרת לסוכני תוכנה, לחיישנים ולמערכות בלתי מאוישות. גם ההבחנה האחרונה חשובה: כלי ללא צוות בתוכו יכול להיות מופעל מרחוק, בלי לבחור בעצמו את פעולותיו.