二十四節氣是有關氣候、季節變化的產物，其起源必往前追溯。人類在長期的採集、漁獵活動中，要熟悉自然環境、季節變化、物候改變，以及動植物生長規律，這樣才能謀取一定的生活資料。其中最主要的便是太陽的東升西落、氣候的寒暑變化、月亮的圓缺、物候的變化。史前人類已積累了一定的天文曆法知識，後來農牧民族又將它發展起來。

中國遠在一萬年前後就發明了農業，到了新石器時代中晚期又出現了南稻北粟的分野。農業生產季節性很強，必須有一定的天文曆法知識，在河南鄭州大何村出土過一件繪有太陽紋的彩陶片，而且是十二個太陽紋，說明當時已知道一年有十二個月。

當然，從民族學資料看，遠古人類先知道東西方向，即太陽升落的方向，後來又知道了南北方向。

除了一年有十二個月外，還根據物候判斷更細緻的時間。明末清初的顧炎武就感歎道：「三代以上人人皆知天文」，他舉例《詩經》裡的句子「七月流火，農夫之辭也；三星在戶，婦人之語也；月離於畢，戍卒之作也；龍尾伏辰，兒童之謠也。」《隋書．西域傳》党項人「無文字，但候草木以記歲時。」二十四節氣正是根據太陽的運行，物候的變遷而發明的。

在商周時期，已經知道了一年內晝夜長短和正午太陽高度的變化。春秋時期已知利用土圭測量日影的長短變化，當時已有「二分」（春分、秋分）、「二至」（夏至、冬至）四個節氣。如《左傳》僖公五年：「凡分至、啟、閉，必書雲物，為備故也。」這就是說，每到「兩分」、「兩至」，便要將當時的天氣和物候記錄下來，作為準備農事活動的依據。

另外，又用土圭測日影確定節氣，土圭是一根直立的杆子，太陽照在杆子上，杆影投射於地，依據杆影長短、太陽高低來確定時辰和節氣。如夏至午時測定，太陽高，杆影短；冬至午時測定，太陽最低（偏南），杆影最長；過了冬至，太陽又漸升高，於是杆影又減短。年復一年，杆影最短與最長之時就定為夏至、冬至。以此類推，一年中有兩天白晝黑夜相等，這就是春分、秋分。從此，也開始流傳「春分秋分，日夜相等」的農諺。

到了戰國時期，又增加了「四立」，包括立春、立夏、立秋和立冬，出現了四季加上原來的「二分」、「二至」共八個節氣。以後又逐漸增加、發展，到了西漢時的《淮南子．天文訓》中已經形成了完整的二十四節氣。大多名稱以不耽誤農事為主要目的，是標準的農業社會的曆法。

《淮南子》相傳為西漢淮南王劉安所著。他養了許多門客，其中也有懂天文曆法的人，故在該書「天文訓」中對二十四節氣有詳實的記錄，其名稱和排序與現行的二十四節氣大致吻合。

從上述史實看出，中國早期便以土圭測定日影而確定夏至和冬至，後來將一回歸年的長度分為二十四份，從冬至開始，等間隔地依次相間安排各個「節氣」和「中氣」，這種方法稱為「平氣」。

依平氣的辦法，每一個月有一個節氣，一個中氣。但是兩個節氣的時間大於一個望月的時間，可能在一個月內有一個節氣，或者在一個月內有一個中氣，為此，西漢鄧平等在制定《太初曆》時，正式將二十四節氣列入其中，明確了二十四節氣的天文位置，同時，《太初曆》規定，節氣可以在上月的下半月或本月上半月出現，而中氣一定要在本月出現。如果遇到沒有中氣的月份，可以認定為上月的閏月。這種置閏的方法，沿用了一千年之久。

由於地球公轉的軌道是橢圓形的，太陽視運動有不均勻現象，這一點被北齊張子欣所發現。隋代仁壽四年（604年），劉焯在《皇極曆》中根據上述不均勻現象，對二十四節氣進行了部分改革，他將周天等分為二十四份，太陽移動到每一分點時就是到某一節氣的時刻。這種畫分法稱為「定氣」，肯定節氣間隔不均勻。定氣主要在曆法計算中使用，但在日用曆譜上依然使用「平氣」，直到清代才改為定氣。