La inclinación cambiante de la Tierra en su eje hace que los días se vuelvan más cortos y que las noches se vuelvan más largas durante el invierno, y el hemisferio inclinado es más frío debido a que el sol golpea la Tierra en un ángulo oblicuo. Al norte del ecuador, el invierno ocurre cuando el hemisferio norte se aleja del sol, mientras que la inclinación opuesta conduce al invierno en el hemisferio sur.
La temperatura más baja ocurre en invierno porque los rayos del sol deben viajar más lejos a través de la atmósfera para alcanzar el hemisferio inclinado, lo que permite que más calor se disipe antes de que llegue a la superficie. Las temperaturas más frías del invierno permiten que los cristales de hielo que se forman en las nubes se unan y caigan a la superficie, causando nieve en lugar de lluvia. La falta de aire caliente disminuye la probabilidad de tormentas eléctricas causadas por colisiones en frentes cálidos y fríos. Para hacer frente a las bajas temperaturas, muchas especies de animales migran a áreas más cálidas cerca del ecuador. Otras especies acumulan reservas de grasa y piel para mantenerse calientes, ya sea que se mantengan activas o en hibernación. El solsticio de invierno ocurre en el día con la mayor cantidad de oscuridad y la menor cantidad de luz solar. Algunos de los inviernos más fríos registrados se produjeron entre 1683 y 1684, 1739 y 1740, y en 1816.
