恒星日，是指地球同一条经线，两次对向同一恒星的时间间隔，恒星日是以遥远的恒星为参考系，是地球自转360度的周期，为23小时56分4秒。简单地说，恒星日是地球自转周期。太阳日是一个昼夜的周期。天文学上表示时间的单位，即以太阳的视圆面中心作参考点，日地中心连线连续两次与某地经线相交的时间间隔。

天文学以恒星为标准量度地球自转的周期，叫做地球自转的恒星周期，也就是一个恒星日。1恒星日=平太阳日的23小时56分4秒，是地球真正的自转周期。地球自转一周实际所需的时间（23小时56分4秒），也就是地球同一条经线对某一个恒星周期所需的时间。一个恒星日等于23小时56分4秒。

在天文学上，定义恒星日的不是具体的恒星，而是黄道对于天赤道的升交点，即白羊宫第一点，就是北半球的春分点。但是春分点在不断的西移（岁差），所以天文学上的恒星日与太阳日还是有区别的。

当地球位于A点时，太阳、 恒星、地心、地球上某一点O点位于同一条直线上。地球位于B点时，地球已经自转了360度，O点又位于恒星与地心的连线上，所以，从A点到B点为恒星日。地球位于C点时，地球自转了360.59‘，此时，O点位于太阳与地心的连线上，从A点到C点为一个太阳日。