1. Nguyên nhân cốt lõi 
Trái Đất quay quanh trục của nó theo một góc nghiêng không đổi là 23∘27′so với mặt phẳng quỹ đạo (mặt phẳng Hoàng đạo) khi quay quanh Mặt Trời. 
Góc nghiêng này khiến cho trong suốt một năm, bán cầu Bắc và bán cầu Nam lần lượt nghiêng về phía Mặt Trời hoặc nghiêng ra xa Mặt Trời. 

2. Sự thay đổi độ dài ngày và đêm trong năm 
Sự nghiêng của trục Trái Đất làm thay đổi góc chiếu và thời gian chiếu sáng của Mặt Trời lên các bán cầu, dẫn đến hiện tượng ngày đêm dài ngắn khác nhau theo các mùa: 

a) Mùa Hè (Bán cầu nghiêng về phía Mặt Trời) 
Bán cầu Hè (ví dụ: Bắc bán cầu vào tháng 6, 7, 8) nghiêng về phía Mặt Trời.
Góc chiếu của tia nắng Mặt Trời lớn hơn, thời gian nhận được ánh sáng trong ngày dài hơn 12 tiếng.
Kết quả: Ngày dài hơn đêm. Càng gần cực, sự chênh lệch càng lớn, đỉnh điểm là vùng cực có hiện tượng "Ngày địa cực" (Mặt Trời không lặn). 

b) Mùa Đông (Bán cầu nghiêng ra xa Mặt Trời) 
Bán cầu Đông (ví dụ: Bắc bán cầu vào tháng 12, 1, 2) nghiêng ra xa phía Mặt Trời.
Góc chiếu của tia nắng Mặt Trời nhỏ hơn, thời gian nhận được ánh sáng trong ngày ngắn hơn 12 tiếng.
Kết quả: Ngày ngắn hơn đêm. Càng gần cực, sự chênh lệch càng lớn, đỉnh điểm là vùng cực có hiện tượng "Đêm địa cực" (Mặt Trời không mọc). 

c) Hai ngày Xuân phân và Thu phân 
Vào hai ngày đặc biệt trong năm: 
Xuân phân (khoảng 21 tháng 3)
Thu phân (khoảng 23 tháng 9) 

Trục Trái Đất không nghiêng về phía cực nào (cả hai bán cầu đều nhận được ánh sáng như nhau). Lúc này, Mặt Trời chiếu thẳng góc xuống Xích đạo. 
Kết quả: Ở mọi nơi trên Trái Đất (trừ hai cực), độ dài ngày và đêm bằng nhau (xấp xỉ 12 tiếng). 

Tóm lại: Hiện tượng ngày đêm dài ngắn theo mùa là hệ quả trực tiếp của việc Trái Đất chuyển động quanh Mặt Trời với trục nghiêng cố định, làm thay đổi lượng ánh sáng và thời gian chiếu sáng mà các vùng trên bề mặt Trái Đất nhận được trong một ngày. 

Hiện tượng ngày – đêm dài ngắn theo mùa là do trục Trái Đất nghiêng 23°27’ so với mặt phẳng quỹ đạo và Trái Đất chuyển động quanh Mặt Trời.

Khi Trái Đất chuyển động trên quỹ đạo, nửa cầu nào nghiêng về phía Mặt Trời thì nhận được nhiều ánh sáng hơn, thời gian chiếu sáng dài hơn → ngày dài, đêm ngắn (mùa hạ).
Ngược lại, nửa cầu nào nghiêng xa Mặt Trời thì nhận ít ánh sáng hơn → ngày ngắn, đêm dài (mùa đông).
Vào hai ngày xuân phân (21/3) và thu phân (23/9), Mặt Trời chiếu thẳng góc tại xích đạo nên ngày và đêm dài bằng nhau (12 giờ) ở khắp mọi nơi trên Trái Đất.

Vào ngày hạ chí (21/6), Mặt Trời chiếu thẳng góc tại chí tuyến Bắc nên Bắc bán cầu ngày dài nhất, đêm ngắn nhất, còn Nam bán cầu ngày ngắn, đêm dài.

Ngược lại, vào ngày đông chí (22/12), Mặt Trời chiếu thẳng góc tại chí tuyến Nam nên Nam bán cầu ngày dài nhất, còn Bắc bán cầu ngày ngắn nhất.

→ Như vậy, độ dài ngày – đêm thay đổi theo mùa và khác nhau giữa hai bán cầu.