ビリアル定理を基にして、天体の運動エネルギーから求められる質量のこと。ビリアル定理によれば有限の空間内を運動する多粒子系が（熱）力学平衡状態にあるとき、そのポテンシャルエネルギーは運動エネルギーの2倍となる。運動エネルギーはたとえば球状星団や楕円銀河では速度分散から、渦巻銀河では円盤の回転速度から求められる。それらの天体の大きさ（半径）がわかれば、ビリアル定理の式を天体の質量について解くことができる。こうして求まる質量がビリアル質量である。恒星系の場合には、力学質量あるいは重力質量とも呼ばれる。ビリアル平衡も参照。

分子雲の場合には、分子輝線のドップラー速度幅か分子輝線のドップラー幅$\Delta v$ と、発光体（分子雲）の半径$R$ から見積もられる質量。具体的には

$$ M_{\rm V}=\alpha \Delta v ^2 R / G$$

と表記される。ここで$\alpha$ は形状を考慮した1程度の無次元数（現代の天文学第6巻8章では 0.9）。ビリアル定理によると、力学的平衡にある発光体では、発光体の内部運動のエネルギーや磁気エネルギーの和は、重力エネルギーの半分と等しい。従ってビリアル質量は、発光体を重力的に束縛するために必要な質量を表す。これに対して分子輝線の光度から見積もられる質量を、光学質量（luminous mass） と呼ぶ。