Il fenomeno delle stagioni è causato dall'inclinazione dell'asse terrestre e dal moto di rivoluzione del nostro pianeta attorno al Sole, da ovest verso est. La Terra infatti, orbitando secondo una traiettoria di forma ellittica, di cui il sole occupa uno dei due fuochi, descrive praticamente un piano che a sua volta viene chiamato eclittica. Durante questo tragitto essa mantiene l'asse di rotazione parallelo a se stesso, Il periodo di tempo impiegato dalla terra per compiere una rivoluzione completa dura 365 giorni 5 ore 48 minuti e 46 secondi. L'alternarsi delle quattro stagioni astronomiche è una conseguenza del moto di rivoluzione e dell'inclinazione dell'asse terrestre (l'asse terrestre é inclinato di 66° 33’ rispetto al piano dell'orbita e di 23° 27’ rispetto alla normale a tale piano. L'entità dell'inclinazione varia ciclicamente tra circa 22,5° e circa 24,5° con un periodo di 41000 anni; attualmente è di 23°27'. Inoltre l'asse terrestre ruota lentamente intorno alla perpendicolare all'eclittica, descrivendo un doppio cono e compiendo un giro ogni 25800 anni (52" all'anno). Questo moto è chiamato precessione degli equinozi ed è dovuto alla forza di marea esercitata dalla Luna e dal Sole. Vi sono infine delle oscillazioni dell'asse di minore entità (circa 20") con un periodo più breve (circa 18,6 anni): quest'ultimo moto è detto nutazione.). Toccando, così in determinati periodi dell'anno, quei quattro punti fondamentali che segnano il principio di ciascuna stagione, e che corrisponderanno ad altrettanti ed analoghi punti del percorso solare apparente essendo questo la proiezione celeste dell'orbita terrestre. La durata delle stagioni subisce lente variazioni nel tempo per la precessione degli equinozi e per le perturbazioni prodotte dagli altri pianeti sul moto di rivoluzione della Terra.

Il 20 marzo i raggi del sole colpiscono perpendicolarmente l’equatore (il sole è allo zenit sull’Equatore) illuminando tutto il globo allo stesso modo: è l’equinozio di primavera, cioè il giorno in cui il dì e la notte hanno la stessa durata.

Il 22 settembre i raggi del sole colpiscono perpendicolarmente l’equatore illuminando tutto il globo allo stesso modo (il sole è allo zenit sull’Equatore): è l’equinozio d’autunno, cioè il giorno in cui il dì e la notte hanno la stessa (equi) durata.

Giorno in cui i raggi solari colpiscono perpendicolarmente il Tropico del Cancro, così i raggi ci arrivano perpendicolari determinando l’estate, al nord nell'emisfero boreale, e l’inverno al sud nell’emisfero australe. Tutti i punti a Nord dell'Equatore restano per un tratto più lungo nella parte illuminata e quelli a Sud dell'Equatore rimangono per un tratto più lungo nella parte oscura. Di conseguenza, solo all'Equatore si hanno 12 ore di luce e 12 di buio, mentre nell'emisfero settentrionale la durata del dì è maggiore di quella della notte e nell'emisfero meridionale è minore, e la differenza di durata aumenta con l'aumentare della latitudine; i luoghi compresi fra il Circolo polare artico ed il Polo nord, cioè nella calotta artica, restano illuminati durante tutta la rotazione terrestre, mentre quelli della calotta antartica (tra il Circolo polare antartico ed il Polo sud) restano nel frattempo al buio.

Il 21 dicembre il sole raggiunge perpendicolarmente il tropico del Capricorno (emisfero australe), determinandone l’estate nell'emisfero sud, e l’inverno, nell'emisfero boreale. Il solstizio d’inverno: la notte più lunga e il dì più breve (emisfero boreale). Si hanno condizioni opposte al solstizio d'estate: il dì viene ad essere più lungo della notte nell'emisfero meridionale e più corto in quello settentrionale; completamente illuminata è la calotta antartica, completamente nell'oscurità quella artica.

A causa della diversa velocità della Terra lungo l'eclittica (maggiore al perielio e minore all'afelio), le stagioni astronomiche non hanno tutte la stessa durata: nell'emisfero boreale abbiamo complessivamente un semestre caldo (primavera­estate) più lungo di circa 7 giorni e 6 ore del semestre freddo (autunno-inverno) ed il contrario si ha nell'emisfero australe.