Contrariamente a quello che ci si potrebbe aspettare, l'alternarsi delle stagioni è un processo essenzialmente dovuto a cause astronomiche e in particolare al moto della Terra attorno al Sole (detto anche moto di rivoluzione) e all'inclinazione dell'asse di rotazione terrestre. La Terra, infatti, come tutti gli altri pianeti del Sistema solare, si muove attorno al Sole seguendo un'orbita pressoché circolare che, nello spazio, individua un piano chiamato piano dell'eclittica (figura 1).

Come si vede dalla figura precedente, l'asse di rotazione terrestre è inclinato rispetto al piano che contiene l'orbita e, nel movimento lungo l'orbita, l'inclinazione dell'asse rimane costante (si noti che la freccia che rappresenta l'asse punta sempre nella stessa direzione). Questo fatto ha importantissime conseguenze sulla quantità di energia termica (chiamata anche calore) che la Terra riceve dal Sole, come è mostrato nella figura successiva.

Nella figura 2 si può facilmente vedere che esistono delle aree della superficie terrestre che non ricevono mai luce (zona A) neanche dopo una intera rotazione della Terra attorno al proprio asse (cioè durante tutto il giorno) mentre vi sono delle aree (zona D) che sono sempre illuminate durante l'intera rotazione (cioè durante tutto il giorno). Inoltre si può anche vedere che, complessivamente, la zona B riceverà meno luce della zona C. Poiché la radiazione luminosa è direttamente collegata alla quantità di energia termica che la superficie terrestre riceve, è naturale pensare che la zona C sarà riscaldata di più della zona B, in altre parole la zona C si troverà in un periodo caldo dell'anno (estate), mentre la zona B si troverà in un periodo freddo (inverno). Questa situazione, che si viene a creare nel punto 1 di figura 1, muta radicalmente quando la Terra, nella sua orbita attorno al Sole, si viene a trovare nel punto 3 di figura 1. In tale punto, infatti, sarà la zona B a sperimentare un periodo caldo (estate), mentre la zona C si troverà nel periodo freddo (inverno). Sempre osservando la figura 1 si può facilmente capire che il punto 2 sarà una fase di transizione sia per la zona B che per la zona C. La zona B, infatti, si troverà in una fase di passaggio dal freddo al caldo (primavera) mentre la zona C sarà in una fase di passaggio dal periodo caldo a quello freddo (autunno). La situazione muterà specularmente nel punto 4 di figura 1, in cui la zona B si troverà in autunno e la zona C in primavera. Questo è il motivo per cui il ciclo delle stagioni è alternato per l'emisfero nord (quello ove si trova, per esempio, l'Italia) e quello sud (quello ove si trova, per esempio, l'Australia). L'estate dell'Italia, infatti, corrisponde all'inverno dell'Australia e la primavera dell'Australia corrisponde all'autunno italiano. L'alternanza delle stagioni, oltre che per le differenze nelle temperature, si può anche osservare misurando l'altezza apparente del Sole nel suo punto di maggior distanza dall'orizzonte o, in alternativa, la durata del periodo di luce (detto anche "ildì") e del periodo di notte. Nel punto 1 di figura 1, il Sole si trova alla minor distanza apparente dall'orizzonte per la zona B (emisfero nord) e nel punto di maggior distanza apparente dall'orizzonte per la zona C. Per questo motivo la durata del dì sarà quella minima per la zona B e quella massima per la zona C; per questo motivo questi due punti prendono il nome di solstizi. La situazione opposta si avrà nel punto 3 di figura 1. Al contrario, nei punti 2 e 4 di figura 1, si avrà uguale durata del dì e della notte sia per la zona B che per la zona C; per questo motivo i due punti si chiamano equinozi. Passando dal punto 1 al punto 2 si osserverà un graduale innalzamento del punto di massima distanza apparente dall'orizzonte e un aumento della durata del periodo di luce per la zona B, il contrario per la zona C.

Se l'asse di rotazione terrestre non fosse inclinato ma si trovasse sempre "diritto" (i matematici dicono ortogonale) rispetto all'orbita terrestre allora non vi sarebbe differenza tra l'emisfero nord e quello sud nel movimento della Terra attorno al Sole e non ci sarebbero le stagioni.

Il fatto che le stagioni siano invertite per l'emisfero nord e quello sud della Terra ha causato anche delle curiosità culturali. Infatti, emigrando dall'emisfero nord in quello sud, le popolazioni hanno portato con loro le proprie tradizioni, incuranti del fatto che queste tradizioni si erano sviluppate anche a seguito del clima del luogo. Per questo motivo, per esempio in Sud Africa, ancora oggi il Natale viene festeggiato ornando i pini con del cotone per rappresentare la neve e vestendo Babbo Natale con una pesante marsina di panno rosso, incuranti del fatto che il 25 di dicembre, nell'emisfero sud, corrisponde alla piena estate con temperature che raggiungono e superano i 30 gradi. Non invidiamo certo il povero Babbo Natale!