中国历法除了编排年月日外，还有更广泛的天文学内容，其中带有研究性质的课题是：太阳、月亮及五大行星的视运动及其位置推算、交食预报等。从某种程度上说，中国历法就是一部天文年历。
北齐人张子信精通天文数学，为躲避战乱而定居海岛，历30年之久观测太阳、月亮和行星。他最先肯定了日、月、行星的运动都存在着真正的不均匀性。
考虑了太阳运动的不均匀性以后，每个节气所占时间就不再相等，短到14日多，长到近16日，称为定气。定气的计算方法是：首先测出太阳运动的最快位置和最慢位置，然后按实际快慢情况，编出各节气的快慢修正值表，其修正值的绝对值以最快和最慢处为上限，平气时刻加减修正值即是定气时刻。
太阳运动的不均匀性是地球公转不均匀性的反映。地球公转的轨道是椭圆形的，近似于圆，太阳位于椭圆的一个焦点上，根据天体运动规律，地球在近日点附近运行得快一些，在远日点附近则慢一些。
早在春秋战国以前，天文学家就知道太阳有单独的运行轨道，称为黄道。东汉天文学家张衡曾测出太阳运动是不等速的，但却归之于黄道对赤道的不均匀投影，事实上，投影只是造成太阳运动不均匀性的原因之一，因此，张衡实际上并没有认识到太阳本身存在着有规律的迟速运动。
研究太阳视运动的规律，意味着要掌握太阳在何时走到何处。浑仪虽然可以帮助天文学家直接测量太阳的去极度，却不能直接测量入宿度，因为白天并没有星空作背景。古人曾利用月亮反推太阳的赤经，而这只限于几种月相的特殊情况，而且所推测结果也不够精密。对于其他时刻太阳的位置，往往以太阳平均每天所走的度数来推算。在四分历中，太阳平均每天走一度。回归年精度提高以后，平均值也随之改变。于是，在此基础上求得，二十四个节气等分回归年，每个节气占15.2日，称为平气。
正是由于高度的重视，古人对黄赤交角的测量一直很精确。早在公元前1世纪，《周髀算经》中黄赤交角值为23°39′18″.1，与今天的理论推测值只差3′23″.9。北宋仪天历这个数据的误差为23″.9，还不到半个角分。而600年以后，以擅长观测著称于世的丹麦人第谷所测得的黄赤交角仍有2′的误差。
黄道是太阳周年视运动的轨道。黄道与赤道并不重合，它们之间有一个交角，称作黄赤交角，太阳运行到距赤道最远处，中国古代称为黄赤大距。在第一节里曾谈到过，中国古代的观测仪器是赤道式装置，而测量日月和行星的位置却要以黄道为基本圈，所以需要把赤道度数换算成黄道度数，黄赤交角是换算过程中不可缺少的要素。
唐代一行的大衍历，把定气当作基准值，用不等间距二次差内插公式，算出节气与节气之间任意位置的修正值，以太阳平均运动加减修正值，就得到太阳真实的位置。
现代科学研究证明，地球的形状和密度分布不是球形对称的，在受到来自日、月和行星的引力影响后，地球的自转轴在空间的方向会发生变化，与自转轴垂直的天赤道面的方向也将变化。这种变化造成的后果是：黄道赤道的交点之一春分点沿着黄道缓慢地向西移动，和春分点相差90°黄经的冬至点同样向西移动。经过一回归年太阳从冬至点运动到下一个冬至点时，冬至点已经相对星空背景移动了一段距离，就出现了回归年短于恒星年的现象，两者之差即为“岁差”。
