شب یلدا زمان میان غروب آفتاب روز جمعه ۳۰ آذر ماه به عنوان آخرین روز پاییز تا طلوع آفتاب در اول ماه دی به عنوان نخستین روز زمستان است و این در حالی است که این شب تنها حدود یک دقیقه با شب‌های قبل و بعد خود فرق دارد.
انقلاب زمستانی کوتاه‌ترین روز سال در نیمکره شمالی است (اول دی ماه) و شروع رسمی زمستان محسوب می‌شود. خورشید در این زمان در پایین‌ترین ارتفاع در آسمان قرار دارد؛ چرا که در این زمان جهت محور قطب شمال سیاره ما که نسبت به سطح مداریش دارای انحراف است، در جهت خورشید قرار ندارد.
به عبارت دیگر انقلاب زمستانی در ستاره‌شناسی لحظه‌ای است که خورشید از دید ناظر زمینی در بیشترین فاصله زاویه‌ای با صفحه استوا در آن سوی نیمکره شمالی-جنوبی ناظر قرار دارد. در نیمکره شمالی روز اول دی ماه (معمولا ۲۲ دسامبر) است که انحراف معیار آن در سال‌های مختلف حداکثر حدود ۱۲ ساعت است. در این لحظه خورشید در نقطه رأس‌الجدی کره سماوی قرار گرفته و مستقیماً بر فراز مدار رأس‌الجدی کره زمین می‌تابد.
انقلاب زمستانی آغاز زمستان است، کوتاه‌ترین روز سال است و پس از انقلاب زمستانی طول روزها بلندتر می‌شود. انقلاب زمستانی همچنین منشا بسیاری از جشن‌ها و آئین‌های باستانی در فرهنگ‌ها و تمدن‌های بشری است که شب یلدا از جمله این جشن‌ها است.
اسدالله قمری‌نژاد (عضوکمیته نظارت و ارزیابی انجمن نجوم ایران)، شب یلدا را طولانی‌ترین شب سال توصیف می کند و می گوید: این شب نه تنها یک آیین کهن، بلکه به لحاظ علمی و محاسبات نجومی دارای جایگاه ویژه‌ای است و نشان از شناخت دقیق پیشینیان ما از حرکت سالانه خورشید در دستگاه مختصات زمین مرکزی دارد.
محور زمین ۲۳.۵ درجه نسبت به صفحه منظومه شمسی انحراف دارد و این مهم دلیل اصلی بوجود آمدن فصل‌ها است. اگر محور زمین، دارای انحراف یا کج‌شدگی نبود، همیشه خورشید به یک حالت به زمین می‌تابید و آب و هوای مناطق مختلف زمین همواره ثابت می‌ماند؛ انحراف مداری زمین باعث شده که در طول گردش سالانه خود به دور خورشید همواره چهارفصل را تجربه کنیم.
ساکنان زمین در دو نیمکره شمالی و جنوبی اثر این انحراف محوری را در کم و زیاد شدن ارتفاع خورشید در آسمان و کوتاه یا بلند شدن طول روز و شب خود مشاهده می‌کنند. پیشینیان بر این باور بودند که خورشید در یک مدار دایره‌ای شکل بر کره سماوی به نام دایرةالبروج به دور زمین در حال گردش است و این مدار با استوای سماوی زاویه ۲۳.۵ درجه‌ای را می‌سازد.
این دو دایره عظیمه در دو نقطه همدیگر را قطع می‌کنند و در دو نقطه نیز بیشترین فاصله را از هم پیدا می‌کنند و نقاط مشترک به اعتدال بهاری و پاییزی و دو نقطه جدایی به انقلاب تابستانی و زمستانی مشهور هستند. یلدا در واقع قرار گرفتن خورشید در نقطه انقلاب زمستانی است.
