Proxima Centauri krąży wokół centrum Drogi Mlecznej w odległości od 8,3 do 9,5 kpc, a ekscentryczność jej orbity wynosi 0,07.
Od momentu jej odkrycia podejrzewano, że Proxima Centauri może być częścią układu Alfa Centauri. Będąc w odległości 0,21 roku świetlnego (15 000 ± 700 jednostek astronomicznych), może wykonywać okrążenia wokół tego układu z okresem 500 000 lat lub dłuższym. Dlatego czasem określa się ją nazwą Alfa Centauri C. Współczesne pomiary, biorące pod uwagę niewielkie różnice we względnej prędkości tych gwiazd sugerują, że szansa na przypadkowe ułożenie się tych gwiazd w takiej konfiguracji wynosi około jeden do miliona. Dane z satelity Hipparcos, w połączeniu z naziemnymi obserwacjami, potwierdzają hipotezę, że te trzy gwiazdy tworzą układ związany. Proxima Centauri jest obecnie blisko apocentrum swojej orbity, punktu najdalszego od Alfa Centauri AB. Aby to potwierdzić, wymagane były dokładniejsze pomiary prędkości radialnej tych trzech gwiazd, szczególnie słabo świecącej Proximy. Pomiar ten stał się możliwy dzięki instrumentowi HARPS należącemu do ESO.