Die Zeitgleichung beschreibt die zeitliche Differenz zwischen der Sonnenzeit (wahre Sonnenzeit) und der physikalisch gemessenen Zeit (mittlere Sonnenzeit), also auch die Differenz zwischen dem höchsten Stand der Sonne und 12 Uhr mittags.

Diese Differenz ist mittels zweier Phänomene zu erklären. Beide führen je nach Jahreszeit zu einer mehr oder weniger großen nötigen Zusatzdrehung der Erde um ihre Achse, ehe die Sonne nach einer 360°-Drehung der Erde wieder im Zenit steht:

• Seit Kepler (1571 – 1630) wissen wir, dass die Erdumlaufbahn eine Ellipse mit der Sonne in einem der beiden Brennpunkte ist. Die Erde bewegt sich schneller auf dieser Bahn, je näher sie der Sonne ist, auf der Nordhalbkugel ist das im Winter der Fall. Echte Sonnen-Tage (Dauer zwischen dem Sonnenhöchststand an aufeinanderfolgenden Tagen) sind zu dieser Zeit länger als offizielle Tage (24-Stunden-Tag).
• Die Erdachse ist gegenüber der Senkrechten zur Ekliptik (Ebene, in der die Umlaufbahn um die Sonne liegt) um einem Winkel von ca. 23,5 Grad geneigt. Von der Sonne aus betrachtet, verändert die Erdachse täglich ihre Richtung (bezüglich der Fixsterne bleibt ihre Richtung jedoch konstant). Zu den Sonnenwenden sind deshalb echte Sonnen-Tage länger als ein normaler 24-Stunden-Tag.

Die täglichen Differenzen summieren sich, gleichen sich aber insgesamt über das Jahr wieder aus.