天文坐标
现代天文科学测定，冬至太阳运行至黄经270度，太阳直射南回归线（又称为冬至线），阳光对北半球最倾斜。因此，冬至日是北半球白天最“珍贵”，黑夜最漫长的一日。对北半球各地而言，冬至也是全年正午太阳高度最低的一日。就北京市区而言，冬至这天白昼仅有9小时20分，而太阳高度也仅有26°42‘。冬至过后，夜空星象则完全换成冬季星空，而且从今天起开始“进九”。
注：地极轴通过地心，连结南、北两极，与地球公转轨道面的夹角为66.5°，和地球自转轨道面——赤道面垂直。
农历参照
地雷复卦，称为冬至一阳生。易曰：先王以至日闭关，商旅不行。
冬至这一天北半球得到的阳光最少，比南半球少了50%，北京的白昼时间仅有9个多小时。但是，这一天是数九的第一天，并不是最冷的时候，这是因为地球表面有大气和水分，能够储存热量，并不是“即存即失”，而有“积热”。 冬至之后，虽然太阳高度角渐渐高起来了，但这是一个缓慢的恢复过程，每天散失的热量仍旧大于接收的热量，呈现“入不敷出”的状况。 到了“三九天”，积热最少，温度最低，天气也就越来越冷了。此时如果有冷空气的影响，天气就更为寒冷。待到过了这个“冷锋”之后，天气就会渐渐变暖。 所以说“冷在三九”，而“九九”已在夏历一月、二月，中国大部分地区已入春，因此“九九艳阳天”。
气候特征
天文学上把冬至作为冬季的开始，这对于我国多数地区来说，显然偏迟。冬至日是一年中白天时间最短的一天。过了冬至以后，太阳直射点逐渐向北移动，北半球白天逐渐变长，夜间逐渐变短，所以，有俗话说，“吃了冬至面，一天长一线。”
从气候上看，冬至期间，西北高原平均气温普遍在0℃以下，南方地区也只有6℃至8℃左右。另外，冬至开始“数九”，冬至日也就成了“数九”的第一天。关于“数九”，民间流传着的歌谣是这样说的，“一九、二九不出手，三九、四九冰上走，五九、六九沿河看柳，七九河开，八九燕来，九九加一九耕牛遍地走。”不过，西南低海拔河谷地区，即使在当地最冷的1月上旬，平均气温仍然在10℃以上，真可谓秋去春平，全年无冬。
中国古人将冬至分为三候：“一候蚯蚓结；二候麋角解；三候水泉动。”传说蚯蚓是阴曲阳伸的生物，此时阳气虽已生长，但阴气仍然十分强盛，土中的蚯蚓仍然蜷缩着身体；麋与鹿同科，却阴阳不同，古人认为麋的角朝后生，所以为阴，而冬至一阳生，麋感阴气渐退而解角；由于阳气初生，所以此时山中的泉水可以流动并且温热。