冬天晝短夜長的原因主要與地球的自轉和公轉以及地球自轉軸的傾斜有關。具體來說：
地球自轉軸的傾斜導致太陽直射點在一年中南北迴歸線之間移動。在冬天，太陽直射點位於南半球，這意味着在北半球，太陽光線相對於地面的夾角（正午太陽高度）變小，導致太陽能照射到地面的時間變短。
由於地球在公轉軌道上的位置，冬天時地球運行到遠日點，這也會影響到達地面的太陽輻射量。
從秋分到冬至期間，太陽直射位置從赤道向南半球推移，導致北半球的白晝時間縮短而夜晚時間增長。冬至時，白天時間達到一年中的最短值，夜晚則是最長。
從冬至到春分期間，太陽直射位置從南迴歸線推移到赤道，白晝時間相對增長，夜晚時間相對縮短，但仍然是夜長晝短，直到春分這天晝長夜短的情況逐漸轉變。