太阳升到天空时，明亮耀眼，在周围什么参照物也没有的情况下，人们就发现太阳光照在物体上的时候总是会分出阴面和阳面，同时地上还会留下影子，且这种影子还会随着太阳的移动发生响应的变化。
据我们可以搜集到的历史资料的详细记载，古人至少在公元前7世纪就己经用“立杆测影”的方法来测量太阳了。
这在《周礼》一书中就有关于土圭测日影的记载。书中说：“土圭见有五寸，以至日……旧至之景，尺有五寸’。”这些均为对夏至日杆影长度的记录，同我们现代测定的尺寸是一致的。
古时候科技尚不发达，人们测日月星辰，难度很多，也很大。古语云：“天有不测风云。”天气的变化随时会影响你的观察，比如当你仰头看星斗的时候，正好遇到阴天乌云，黑灯瞎火，无奈就只好等来日了：当你立杆尺准备测量杆影的时候，再逢一连几个阴天，则今年该节气的测影结果就一无所获了，只得等来年再测，倘若第二年测这个节气时依然是阴天，那就只好接续往后推。由于天气变化异常，人们甚至还会产生许多离奇的猜想，认为有着某种神秘的色彩，给测量蒙上了阴影。但是古人并没有被这种困难所吓倒，在这一方面倾注了极大的耐力和热忱，为我们走到了今天这一步奠定了坚实的基础。
在古代，有很多种观测天体与节气的方法，天体星群离我们很遥远，而且我们是将天空分成十二等份，比方说北斗星所指方位每两个节气才有一个名称，所以，在观察上就有很大的余地，观测物候的时候也会因各种动植物受到非正常天气变化的影响而产生差异，相比之下，只有圭表测日影的方法最为精确。太阳照射下，杆影在午时与土（石）圭相重合的测量时间，非常短暂，只有几分钟，而杆子的高度不变、土（石）圭的位置不变、测量的尺寸和刻度不变、每节测量的时间不变，只有太阳照射的高度和杆影的长短发生变化。这里杆影长度的变化就是测量二十四节气的重要依据。日月星辰、物候特点、圭表测影综合全面地确保了二十四节气的科学合理性。
在我国就有圭表测日影的一处文物保护单位，这就是河南省登封县的古观星台。此观星台是周朝时期周公在这里“垒土为圭，立木为表，测日影，正地中，定四时”所建立的。它是利用一根直立八尺（古尺）长的杆子，通过观测杆子在一年四季每天中午时投在地上的影子长度的变化情况来测量节气。在天气炎热，投射在地上的杆影最短的一天定为夏至：而在天气寒冷太阳对地照射角度偏低的时候，投在地上的杆影最长的一天便被定为冬至。冬至后，杆影渐渐缩短，直到天气变暖杆影最短的夏至，一年四季就在杆影最长的冬至和杆影最短的夏至的范围之内变化，该测量方法被称为土圭表测影（或石圭表测影）由于每个节气之间的间隔约为十五日，因此杆影的记录长度变化也非常有规律。
古人利用固定尺寸的（一般为古尺八尺）杆子测绘，并对每个节气变化的杆影尺寸加以文字记载，以此来界定每个节气。我们今天所能看到的元代前书籍记载的古代杆影古尺长度均以河南登封测量台所测尺寸为准。
另外，很多天文学者对这一科学研究做出了巨大贡献。元代的时候，以郭守敬为代表的一批天文学者把八尺长的测影杆子一下子加高到四丈，使整体高度加高了五倍，如此一来，就大大提高了测量的精度，与此同时，郭守敬还将测量点扩大到北纬15度至65度的范围，在全国共设了27个测量点，详细记录分析全国各地同一天所测数据的差异，从而使我国在历法及节气使用方面走在了世界前列。
人们对节气的认识源于对客观世界自然现象运动变化的长期观察和思考。人们在日常生活中所接触到的自然现象不断给人以感觉的积累，人们于是也就在积累中发现了天上的日月星辰与世间事物的必然联系。有了文字后，古人便用文字来记载这些变化。截至目前，我们能够找到的最早记录星象物候变化与一年中四季、月份关系的书是 《夏小正》，《礼记·礼运》篇中记载“孔子日，我欲观夏道，是故至祀，而不足征也，吾得夏时焉”，《史记·夏本记》篇中记载“孔子正夏时，学者多传《夏小正》云”，后人便以此为据，认为《夏小正》是夏代的历法（即夏历），因为在《夏小正》中所记载的内容和所观察的范围均为后来形成二十四节气的基础，是古人在气象、物候方面取得的具有里程碑意义的成就。
《夏小正》全文共计四百余字，它以全年十二个月为序，记载了每月的天象、物候、民事、农事、气象等方面的内容。古文《夏小正》用字十分简练，记载的文字多为二字或三字一句，随着时间的推移，今人读起来会感到有些难度。但文字所记载的星象位置，经有关专家研究证明是夏、商两代都可以观察到的现象。《夏小正》一书，表明我国古人对于星辰尤其是北斗星的变化规律的研究在当时已经达到了较高水平。《夏小正》书中根据天空星象的位置，配合记载了相应物候变化，“雁北乡，獭祭鱼，鹰则为鸡，有鸣仓庚，鹰始挚，寒蝉鸣，陨糜角”等谚语都与现代所见七十二候应内容相同。
可以想象，远在三千多年前的古人就能用如此简练的文字归纳总结记录全年的星象和物候现象，是何等不易，其中有些还是首次见于文字记载。过去古人用手抄记录传播《夏小正》，随着时间的推移，多种版本纷纷问世，虽然各版本间都有一些小差异，但却都无碍大局。
《夏小正》一书为我们研究我国古代天文及农耕文明的发展历程，提供了珍贵的文字资料。
我国古代设立了很多观测天象的天文台，只是古称不同，其中有灵台、清台、天台、云台、观台、侯台、瞻星台等。现存的遗址有洛阳灵台实景、河南登封观星台、北京古观象台等。其中最值得一提的是，2003年在山西省襄汾县陶寺遗址，考古工作者发现了距今4100多年的、世界上最早的古观象台。专家学者们通过将近两年的时间，对其进行详细观测，验证了当时的人们曾通过该观象台来观测节气的变化。这和《尚书·尧典》中记载“历象日月，敬授人时”的时间段相符。这些实物让我们看到古人的智慧的同时也让我们中华民族引以为豪。
