Trái Đất tự quay quanh trục nghiêng khoảng 23,5 độ so với mặt phẳng quỹ đạo quanh Mặt Trời, và độ nghiêng này không đổi hướng khi Trái Đất di chuyển quanh Mặt Trời suốt cả năm. Vào mùa hè của một bán cầu, bán cầu đó đang ngả về phía Mặt Trời, nên đường phân chia sáng-tối trên Trái Đất cắt qua các vĩ tuyến của nó theo một góc khiến phần được chiếu sáng lớn hơn phần chìm trong bóng tối. Kết quả là khi Trái Đất tự quay hết một vòng 24 giờ, một điểm ở bán cầu đó nằm trong vùng sáng lâu hơn nằm trong vùng tối, tạo ra ngày dài và đêm ngắn. Ở bán cầu đối diện đang là mùa đông thì hoàn toàn ngược lại.

Nguyên nhân cốt lõi nằm ở hình học của đường phân chia ngày-đêm khi trục Trái Đất nghiêng. Nếu trục Trái Đất thẳng đứng, không nghiêng chút nào, thì mọi nơi trên thế giới quanh năm sẽ có ngày và đêm dài bằng nhau đúng 12 tiếng. Chính vì độ nghiêng 23,5 độ đó, độ dài ngày thay đổi theo mùa và theo vĩ độ: càng xa xích đạo, mức chênh lệch ngày đêm theo mùa càng lớn, và ở vòng cực thậm chí có những ngày mặt trời không lặn hẳn vào mùa hè hoặc không mọc suốt mùa đông. Vào hai thời điểm gọi là điểm chí, ngày hạ chí và đông chí, sự chênh lệch ngày đêm đạt cực đại; còn vào hai thời điểm xuân phân và thu phân, ngày và đêm ở khắp nơi dài bằng nhau vì lúc đó trục nghiêng không hướng thiên về bán cầu nào.

Ở Hà Nội, vào ngày hạ chí khoảng 21 tháng 6, Mặt Trời mọc sớm và lặn muộn, cho một ngày dài gần 13 tiếng rưỡi, trong khi vào ngày đông chí khoảng 21 tháng 12, ngày chỉ dài khoảng 11 tiếng. Ở những nước Bắc Âu như Na Uy hay Thuỵ Điển, chênh lệch này còn rõ rệt hơn nhiều: mùa hè có những nơi mặt trời gần như không lặn suốt nhiều tuần, còn mùa đông thì ngày ngắn tới mức trời tối gần như cả ngày. Đó là lý do các tour du lịch ngắm "mặt trời nửa đêm" ở Bắc Âu chỉ tổ chức được vào mùa hè.

Nhiều người tưởng ngày dài hơn vào mùa hè là vì Trái Đất di chuyển nhanh hơn hoặc chậm hơn vào thời điểm đó, nhưng tốc độ tự quay của Trái Đất thực chất gần như không đổi quanh năm. Cái thay đổi chỉ là góc chiếu sáng do trục nghiêng, khiến phần bề mặt được Mặt Trời chiếu sáng trong một vòng quay lớn hay nhỏ hơn tùy mùa, chứ Trái Đất không quay nhanh chậm khác nhau giữa các mùa.