与在大气层内外具有固定抛物线飞行弹道的弹道导弹不同，巡航导弹是指按规划弹道在大气层内以巡航速度飞行的导弹。巡航导弹多变的弹道是预先由任务规划系统根据导弹的飞行特性、作战环境、敌方防御能力、目标特性、协同作战等多种因素规划的，发射前装定到弹载计算机内。飞行过程中，导弹实时地将实际飞行弹道与预先规划弹道进行比较，不断发出控制指令修正偏差。

巡航导弹的弹道通常由发射段、巡航段和寻的攻击段组成。发射段指巡航导弹由发射点到开始巡航飞行时的弹道；巡航段指巡航导弹以规划弹道飞行的一段弹道；寻的攻击段也称俯冲段，当巡航导弹接近目标上空时，导弹由巡航状态转而向下俯冲，直到到达目标位置。

导弹在巡航段飞行时，主要由导航系统控制。导航系统可靠性好，抗干扰能力强，不受地域影响，但误差随时间积累。因此巡航导弹一般不单独使用导航系统，通常用地形匹配制导、景象匹配制导、GPS制导系统来修正导航系统的误差。地形匹配制导主要利用导弹飞临区地形的海拔高度来修正导航系统的误差。导弹发射前，先把预先制作的数字地图装定到弹载计算机中。在导弹弹道的下方，选择地形地貌明显的区域作为匹配区。导弹飞行中，通过导弹上的气压和雷达高度表实时感知地形的海拔高度，与预先装定的基准地形高度匹配来修正误差。

另一种常用的匹配制导系统是景象匹配制导系统。但这些景象匹配制导系统使用复杂，也不能在地形地貌特征不明显的区域（如沙漠、海洋）使用。现在美国的巡航导弹大多采用惯导系统加GPS的复合惯导系统，大大改善了制导精度，提高了抗干扰能力，降低了对制导系统的苛刻要求，以实现在线规划、对目标毁损效果评估。但GPS信号弱，易受干扰。2003年美国在伊拉克战争中，就有多枚“战斧”导弹因GPS被干扰而失控。

巡航导弹的巡航段常采用掠海（地）超低空飞行技术实现隐形突防。它的飞行高度在平坦陆地上空为10～15米，在山区和丘陵地带上方为50～100米，在海面上则为7～15米，几乎是贴着地面或海面飞行，并能够按任务规划随地形的起伏和变化而不断调整飞行高度。超低空飞行是通过雷达高度表实时测量导弹的离地高度与预先装定的离地高度比较、修正实现的。理论上，导弹的飞行高度越低越好，可以增加攻击的隐蔽性和突然性。但过低的离地高度对控制系统要求太高，增加撞地概率，因此巡航导弹大多采用高—低混合弹道。在防御能力薄弱的空域，采用高弹道可降低对控制系统的要求，减小气动阻力，减少机动次数，最大限度节油以增大射程。