L'inclinaison changeante de la Terre sur son axe fait raccourcir les jours et allonger les nuits en hiver, et l'hémisphère incliné est plus froid en raison du soleil frappant la Terre à un angle oblique. Au nord de l'équateur, l'hiver se produit lorsque l'hémisphère nord s'éloigne du soleil, tandis que l'inclinaison opposée conduit à l'hiver dans l'hémisphère sud.
Les températures plus basses se produisent en hiver, car les rayons du soleil doivent voyager plus loin dans l'atmosphère pour atteindre l'hémisphère incliné, ce qui permet à une plus grande partie de la chaleur de se dissiper avant qu'elle n'atteigne la surface. Les températures hivernales plus froides permettent aux cristaux de glace qui se forment dans les nuages de se réunir et de tomber à la surface, provoquant la neige à la place de la pluie. Un manque d'air chaud diminue la probabilité d'orages causés par la collision de fronts chauds et froids. Pour faire face à la baisse des températures, de nombreuses espèces animales migrent vers des zones plus chaudes près de l'équateur. D'autres espèces accumulent des réserves de graisse et de fourrure pour se réchauffer, qu'elles restent actives ou hibernent. Le solstice d'hiver se produit le jour où l'obscurité est la plus longue et la quantité de soleil la plus courte. Certains des hivers les plus froids jamais enregistrés se sont produits entre 1683 et 1684, 1739 et 1740, et en 1816.
