地球自转是固体的地球绕着自己的轴转动，方向是由西向东。从天球的北极点鸟瞰，地球自转是逆时针旋转；从南极点上空看是顺时针旋转。
真正周期地球自转的周期是一个恒星日，目前其值为23时56分4秒。但是近年来地球自转周期在缓慢增加（即转速缓慢减小），导致需要对全球计时器进行调整，例如2005年12月31日全球钟表统一加一秒。这样的调整称为闰秒。
转动速度地球自转的角速度大约是每小时15度；而表面每点的线速度随纬度而变化，是赤道的线速度乘以纬度的余弦。因此赤道的线速度是最大的，两极的线速度最小，而赤道线的速度约902.5海浬。恒星日与太阳日在像地球的一个顺行平面，恒星日是短于太阳日。在时间点1，太阳和遥远的恒星都在头顶上(在相同的方向上)；在时间点2，行星转动360°，遥远的恒星右出现在头顶上，但太阳并不在头顶上(1→2 =一恒星日)；太阳要稍后，在时间点3，才会抵达头顶上(1→3 =一太阳日)。地球相对于太阳的转动一周的时间(从正午至正午)称为真太阳日或视太阳日，由于地球椭圆轨道的离心率和自转轴的倾斜，导致均时差的形成。这两者都以数千年的尺度变化[1]，所以真太阳日也有周年性的变化。
通常，每年有两段时期比平太阳日长，另外两段时期比平均太阳日短[n 1]。当真太阳日在越接近近日点时越长，这是因为这时的太阳看起来在黄道上移动的角度比平常大，朝向近日点接近时，每一天增长的时间大约在10秒钟；反过来，当地球朝向远日点接近时，每一天的时间大约会缩短约10秒钟。当接近至点时，太阳的视运动从黄道上投影至天球赤道上的移动量会增加，导致每一天可以增长约20秒钟；但反过来，在接近分点时，天球赤道和黄道几乎重合，因此没有什么差别。通常，近日点和至点的效果结合，在接近12月22日时，真太阳日每一天可以增长30秒钟；但是至点的效应在远日点时会被抵销一部分，所以约在6月19日，只会增长13秒钟。
相对来说，分点的效应，在3月26日(接近春分)大约比平太阳日短18秒钟，在9月16日(接近秋分)大约短21秒钟[2][3][4]。在一年中的真太阳日的平均长度称为平太阳日，它包含了86,400 平太阳秒。目前，平太阳秒比SI的秒稍稍长了一点点，这是因为地球的平太阳日由于潮汐摩擦已经比在19世纪定义当时长了一些。在1750年至1892年之间的平太阳秒是西蒙·纽康于1895年在制作他的太阳表时制定的独立时间单位。这个表在1900年至1983年被用来计算世界的天体历，所以这种秒也称为历书秒。
SI秒在1967年与历书秒是相等的[5]。地球相对于恒星转动一周(360度)称为恒星日，依据国际地球自转服务 (IERS)的定义是86,164.098 903 691秒的平太阳时(UT1)(等于23h 56m 4.098 903 691s，或0.997 269 663 237 16平太阳日)。地球相对于岁差或平春分点的转动周期，常被误称为恒星日，是86,164.090 530 832 88 秒的平太阳时(UT1)(等于23h 56m 4.090 530 832 88s，0.997 269 566 329 08 mean solar days)[6]，因此天文学上用的恒星日比真实的恒星日短了大约8.4 ms。无论是真实的恒星日或是天文学上用的恒星日都比平太阳日短了大约3分 56秒，平太阳日在SI是运用IERS从 1623–2005[9]和 1962–2005的周期[10]。最近(1999年–2010年) 平太阳日的长度是86,400SI秒，变化率在0.25 ms和1 ms，必须将这些变化也添加在真实的恒星日和天文的恒星日的长度，以SI秒呈现它们的平太阳时。地球在惯性空间中的转动速率是每SI秒(7.2921150 ± 0.0000001)×10?5弧度[6]乘上(180°/π弧度)×(86,400秒/平太阳日)，得到每平太阳日360.9856°，表明了在一个太阳日的地球转动超过相对于恒星的360°。这是因为地球在接近圆形的绕日轨道上的运动，使得地球必须在转到对向恒星之后还得再多转一点才能再度对向平太阳，使平太阳再度出现在同一个地点的同一方向上，即使相对于平太阳只是旋转了一圈(360°)
。将地球每秒在赤道上旋转的弧度乘上地球的半径6,378,137 m (WGS84椭球) ( 2π弧度的因素在两个项目中都被删除)得到的速度是465.1 m/s、1,674.4 km/h或1,040.4 mi/h[11]。有些资料来源指出地球的赤道速度较低，或是只有1,669.8 km/h[12]，这是以地球的赤道周长除以24小时获得的结果。但是，这只是不自觉的意味着只在惯性空间中旋转了一圈，因此相对应的时间应该是恒星时。经由乘平太阳日的恒星日对应数值，1.002 737 909 350 795，可以证实这一点[6]，因为这会获得前述赤道在平太阳时的速度1,674.4 km/h。
对地球自转的长期监测需要甚长基线干涉仪的座标配合全球定位系统、卫星雷射测距和其它卫星技术配合著使用。这些提供了对世界时、进动和章动等的绝对参考 。过去的数百万年，地球的旋转受到月球引力的交互作用影响减缓了许多：参见潮汐加速。但是有些大型的事件，像是2004年印度洋地震，就使地球的转动加速了大约3微秒[14]。在冰河期后期的后冰河期反弹，是因为地球质量的分部改变影响了地球的惯量，经由角动量守恒，改变了转动速率[15]。
真正周期
地球自转的周期是一个恒星日，目前其值为23时56分4秒。但是近年来地球自转周期在缓慢增加（即转速缓慢减小），导致需要对全球计时器进行调整，例如2005年12月31日全球钟表统一加一秒。这样的调整称为闰秒。
转动速度
地球自转的角速度大约是每小时15度；而表面每点的线速度随纬度而变化，是赤道的线速度乘以纬度的余弦。因此赤道的线速度是最大的，两极的线速度最小，而赤道线的速度约902.5海浬。
恒星日与太阳日
在像地球的一个顺行平面，恒星日是短于太阳日。在时间点1，太阳和遥远的恒星都在头顶上(在相同的方向上)；在时间点2，行星转动360°，遥远的恒星右出现在头顶上，但太阳并不在头顶上(1→2 =一恒星日)；太阳要稍后，在时间点3，才会抵达头顶上(1→3 =一太阳日)。
地球相对于太阳的转动一周的时间(从正午至正午)称为真太阳日或视太阳日，由于地球椭圆轨道的离心率和自转轴的倾斜，导致均时差的形成。这两者都以数千年的尺度变化，所以真太阳日也有周年性的变化。通常，每年有两段时期比平太阳日长，另外两段时期比平均太阳日短[n 1]。当真太阳日在越接近近日点时越长，这是因为这时的太阳看起来在黄道上移动的角度比平常大，朝向近日点接近时，每一天增长的时间大约在10秒钟；反过来，当地球朝向远日点接近时，每一天的时间大约会缩短约10秒钟。
当接近至点时，太阳的视运动从黄道上投影至天球赤道上的移动量会增加，导致每一天可以增长约20秒钟；但反过来，在接近分点时，天球赤道和黄道几乎重合，因此没有什么差别。通常，近日点和至点的效果结合，在接近12月22日时，真太阳日每一天可以增长30秒钟；但是至点的效应在远日点时会被抵销一部分，所以约在6月19日，只会增长13秒钟。相对来说，分点的效应，在3月26日(接近春分)大约比平太阳日短18秒钟，在9月16日(接近秋分)大约短21秒钟。
在一年中的真太阳日的平均长度称为平太阳日，它包含了86,400 平太阳秒。目前，平太阳秒比SI的秒稍稍长了一点点，这是因为地球的平太阳日由于潮汐摩擦已经比在19世纪定义当时长了一些。在1750年至1892年之间的平太阳秒是西蒙·纽康于1895年在制作他的太阳表时制定的独立时间单位。这个表在1900年至1983年被用来计算世界的天体历，所以这种秒也称为历书秒。SI秒在1967年与历书秒是相等的。
地球相对于恒星转动一周(360度)称为恒星日，依据国际地球自转服务 (IERS)的定义是86,164.098 903 691秒的平太阳时(UT1)(等于23h 56m 4.098 903 691s，或0.997 269 663 237 16平太阳日)[6][n 2]。地球相对于岁差或平春分点的转动周期，常被误称为恒星日[n 3]，是86,164.090 530 832 88 秒的平太阳时(UT1)(等于23h 56m 4.090 530 832 88s，0.997 269 566 329 08 mean solar days)，因此天文学上用的恒星日比真实的恒星日短了大约8.4 ms。
无论是真实的恒星日或是天文学上用的恒星日都比平太阳日短了大约3分 56秒，平太阳日在SI是运用IERS从 1623–2005[9]和 1962–2005的周期[10]。
最近(1999年–2010年) 平太阳日的长度是86,400SI秒，变化率在0.25 ms和1 ms，必须将这些变化也添加在真实的恒星日和天文的恒星日的长度，以SI秒呈现它们的平太阳时。
地球在惯性空间中的转动速率是每SI秒(7.2921150 ± 0.0000001)×10?5弧度[6]乘上(180°/π弧度)×(86,400秒/平太阳日)，得到每平太阳日360.9856°，表明了在一个太阳日的地球转动超过相对于恒星的360°。这是因为地球在接近圆形的绕日轨道上的运动，使得地球必须在转到对向恒星之后还得再多转一点才能再度对向平太阳，使平太阳再度出现在同一个地点的同一方向上，即使相对于平太阳只是旋转了一圈(360°) [n 4]。将地球每秒在赤道上旋转的弧度乘上地球的半径6,378,137 m (WGS84椭球) ( 2π弧度的因素在两个项目中都被删除)得到的速度是465.1 m/s、1,674.4 km/h或1,040.4 mi/h[11]。
有些资料来源指出地球的赤道速度较低，或是只有1,669.8 km/h，这是以地球的赤道周长除以24小时获得的结果。但是，这只是不自觉的意味着只在惯性空间中旋转了一圈，因此相对应的时间应该是恒星时。经由乘平太阳日的恒星日对应数值，1.002 737 909 350 795，可以证实这一点，因为这会获得前述赤道在平太阳时的速度1,674.4 km/h。
对地球自转的长期监测需要甚长基线干涉仪的座标配合全球定位系统、卫星雷射测距和其它卫星技术配合著使用。这些提供了对世界时、进动和章动等的绝对参考 。
过去的数百万年，地球的旋转受到月球引力的交互作用影响减缓了许多：参见潮汐加速。但是有些大型的事件，像是2004年印度洋地震，就使地球的转动加速了大约3微秒。在冰河期后期的后冰河期反弹，是因为地球质量的分部改变影响了地球的惯量，经由角动量守恒，改变了转动速率。
极移
地轴在地面上的运动，叫做极移。
极移的原因主要有两种，一种是地轴对于惯性轴偏离的结果，周期大约为14个月。另一种是大气季节性运行导致，其周期为一年。还有其他一些次要的原因，极移的振幅一般不超过15米。
极移的结果使地球上的纬度和经度发生变化。
进动
天极在天球上的位置的变化称为进动。
规律性：地轴的进动是一种圆锥形的运动，其规律性如下：
圆锥轴线垂直于地球公转轨道平面，指向黄道两极。
圆锥的半径是黄赤交角。
运动的方向是自东向西，即同地球自转的方向相反。
运动的速度是每年50秒点29，周期是25800年。
表现：
表现为天极的周期性运动。
造成北极星的变迁。
地球赤道面和天赤道发生系统性的变化。
二分二至点每年在黄道上以50秒点29的速度西移。（岁差）
使回归年小于恒星年
原因
第一，地球形状
因为地球是一个明显的扁球体，所以隆起的部位所受的附加引力总是稍大于另一侧。二者之间的差值，总是存在于接近日月的一侧。
第二，黄赤交角
由于黄赤交角的存在，使得日月经常在赤道面以外对赤道隆起施加引力。这样上述引力差就成为一个力矩，使得地轴趋近黄轴，天极趋近黄极。
第三，地球自转
因为上述的引力差，给地球的自转的角动量增加了一个增量，使得地球的自转方向发生偏转。这就是地轴的进动，也就是岁差。
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