Độ nghiêng thay đổi của Trái đất trên trục của nó khiến ngày ngắn hơn và đêm dài hơn trong mùa đông và bán cầu nghiêng lạnh hơn do mặt trời chiếu vào Trái đất theo một góc xiên. Ở phía bắc của đường xích đạo, mùa đông xảy ra khi bán cầu bắc nghiêng khỏi mặt trời, trong khi độ nghiêng ngược lại dẫn đến mùa đông ở bán cầu nam.
Nhiệt độ thấp hơn xảy ra vào mùa đông vì tia nắng mặt trời phải đi xa hơn qua bầu khí quyển để đến bán cầu nghiêng, điều này cho phép lượng nhiệt tản ra nhiều hơn trước khi nó đến bề mặt. Nhiệt độ mùa đông lạnh hơn cho phép các tinh thể băng hình thành trong các đám mây liên kết với nhau và rơi xuống bề mặt, gây ra tuyết thay cho mưa. Thiếu không khí ấm làm giảm khả năng xảy ra giông bão do va chạm giữa các mặt trận ấm và lạnh. Để đối phó với nhiệt độ giảm, nhiều loài động vật di cư đến các khu vực ấm hơn gần xích đạo. Các loài khác tích tụ chất béo và lông dự trữ để giữ ấm cho dù chúng ở trạng thái hoạt động hay ngủ đông. Ngày đông chí xảy ra vào ngày có lượng bóng tối dài nhất và lượng ánh sáng mặt trời ngắn nhất. Một số mùa đông lạnh nhất được ghi nhận xảy ra từ năm 1683 đến 1684, 1739 đến 1740 và vào năm 1816.
