地球の自転軸は、回転速度が遅くなるコマのように揺れ動きます。この揺れは歳差運動と呼ばれ、約2万6000年かけて一周します。これは、太陽と月が地球の赤道付近の膨らみを引っ張り、傾きをまっすぐにしようとするためです。地球はこれに抵抗し、自転軸はゆっくりと空に円を描きます。

その影響は長い時間スケールで現れます。現在、天の北極は北極星（ポラリス）付近を指していますが、1万2000年後にはベガ付近を指すようになります。太陽が天の赤道を横切る春分点と秋分点は、黄道に沿って西へ移動していきます。この移動こそが、黄道十二星座が、その名前の由来となった星座と一致しなくなった理由です。

歳差運動は気候にも影響を与える。地球の自転軸の向きの変化は、季節ごとの日照分布を変化させる。これは氷河期の周期を決定づけるミランコビッチサイクルの一つである。その影響は個々の年では小さいが、数千年という長い年月を経て、季節のタイミングや強度を大きく変化させ、氷河の拡大を引き起こす可能性がある。

古代の天文学者たちは歳差運動に気づいていた。ヒッパルコスは自身の時代の星の位置をバビロニアの天文学者たちが記録した位置と比較し、ずれを発見した。彼は望遠鏡を持っていなかったにもかかわらず、そのずれの速度を驚くほど正確に推定した。