L'estate inizia il 21 giugno (o, a seconda degli anni, in una data a esso molto prossima) come diretta conseguenza dell'aver convenzionalmente fissato il computo dell'anno tropico a partire dal passaggio del Sole per l'equinozio di primavera.
In questo particolare giorno, che cade intorno al 20-21 marzo a seconda degli anni, su tutta la Terra, tranne che ai poli, le ore di luce sono tante quante quelle di oscurità.
Il Sole si trova a perpendicolo sull'equatore; nel sistema di coordinate abitualmente usato in astronomia ciò significa che si trova nel punto di coordinate (0,0), punto nel quale si intersecano eclittica ed equatore celeste; quest'ultimo può essere definito come la zona del cielo che si trova allo zenit per un osservatore posto all'equatore.
A partire da questo punto particolare della sfera celeste, i punti lungo l'eclittica — il percorso apparente che il Sole compie durante un anno se osservato dalla Terra — che distano 90° da esso si dicono solstizi.
Il Sole raggiunge uno di questi due punti proprio intorno al 21 giugno, che segna quindi l'inizio dell'estate.
Il solstizio estivo è comunque un giorno importante, almeno dal punto di vista astronomico perché il Sole arriva nel punto in cui è massima la sua declinazione (una coordinata astronomica della sfera celeste che può essere paragonata alla latitudine geografica). In termini più concreti ciò equivale a dire che a mezzogiorno la sua altezza sull'orizzonte è massima, almeno per gli osservatori dell'emisfero boreale compresi fra il Tropico del Cancro e il Polo Nord.
Attenzione però, perché al solstizio estivo dell'emisfero boreale corrisponde l'inizio dell'inverno per l'emisfero australe. In questo giorno particolare il Sole si trova infatti a perpendicolo sul Tropico del Cancro, ovverosia nel punto dell'eclittica più lontano (verso Nord) dall'equatore celeste; pertanto nell'emisfero Sud sarà inverno.
Il contrario avverrà durante il nostro solstizio d'inverno: pochi giorni prima di Natale, il Sole si trova a perpendicolo sul Tropico del Capricorno, il punto dell'eclittica più meridionale rispetto all'equatore celeste. Ciò significa che inizia l'estate per l'emisfero australe e da noi inizia invece l'inverno e nel nostro cielo l'altezza del Sole a mezzogiorno è la minima dell'anno.
In altri termini, ciò si traduce nel fatto che gli australiani vanno al mare e mangiano gelati in compagnia di Babbo Natale.
Tornando al solstizio estivo, a esso è associata anche la massima durata del giorno (inteso come ore di luce) nell'emisfero boreale e la giornata con meno ore di luce nell'emisfero australe.
Occorre ancora una precisazione: il 21 giugno il nostro pianeta non si trova esattamente alla massima distanza dal Sole, anche se è comunque vicino all'afelio, che si verifica intorno al 4 di luglio. Non bisogna confondere infatti la linea dei solstizi (quella che unisce i due punti dell'orbita in cui avvengono i solstizi) dalla cosiddetta linea degli absidi (che unisce invece i punti dell'orbita che si trovano più vicini e lontani rispetto al Sole).
Vero è, comunque, che dopo il solstizio estivo alle nostre latitudini le giornate iniziano ad accorciarsi (cioè si riduce l'intervallo di tempo durante il quale il Sole si trova al di sopra dell'orizzonte) e l'altezza del Sole a mezzogiorno inizia a scendere, fino al giorno del solstizio invernale, superato il quale le giornate ricominciano ad allungarsi e l'altezza del Sole a mezzogiorno riprende a crescere. Da questo punto di vista, nonostante i solstizi segnino l'inizio della stagione estiva o invernale, rappresentano anche i punti in cui si inverte la tendenza iniziata sei mesi prima.