冬至这一天白天和晚上并不一样长，而是北半球夜晚最长、白天最短的一天。
从地球公转与太阳直射点的关系来看，地球围绕太阳公转时，地轴是倾斜的，而且它的空间指向保持不变，这就导致太阳直射点在南北回归线之间来回移动。冬至时，太阳直射点位于南回归线，此时北半球各地距离太阳直射点的位置相对较远，接收到的太阳辐射相对较少。
在昼夜长短变化规律方面，冬至这一天，北半球各地夜长时间从南到北呈递增趋势。这是因为纬度越高，受到地球公转和地轴倾斜的影响越明显。越是靠北的地区，黑夜时间就越长；越是靠南的地区，黑夜时间则越短。例如，哈尔滨位于我国北方，纬度较高，冬至夜长约15时20分；北京的纬度稍低一些，夜长约14小时40分；南京的纬度再低一点，夜长约13小时57分；而位于我国南方的海口，纬度较低，冬至夜长约13小时05分。
与之相反，南半球在冬至时则处于夏季，此时南半球各地是白天最长、夜晚最短的一天，昼夜长短情况与北半球截然相反。
此外，冬至过后，太阳直射点开始逐渐向北移动，北半球各地接收到的太阳辐射逐渐增多，白天时间会慢慢变长，夜晚时间则会逐渐缩短，直到春分时，全球昼夜平分，之后北半球白天继续变长，夜晚继续变短，直至夏至时，北半球白天达到最长，夜晚达到最短。
