地球存在繞自轉軸自西向東的自轉，平均角速度為每小時轉動15度。在地球赤道上，自轉的線速度是每秒465米。天空中各種天體東昇西落的現象都是地球自轉的反映。人們最早利用地球自轉作為計量時間的基準。自20世紀以來由於天文觀測技術的發展，人們發現地球自轉是不均的。1967年國際上開始建立比地球自轉更為精確和穩定的原子時。由於原子時的建立和採用，地球自轉中的各種變化相繼被發現。現在天文學家已經知道地球自轉速度存在長期減慢、不規則變化和週期性變化。

透過對月球、太陽和行星的觀測資料和對古代月食、日食資料的分析，以及透過對古珊瑚化石的研究，可以得到地質時期地球自轉的情況。在6億多年前，地球上一年大約有424天，表明那時地球自轉速率比現在快得多。在4億年前，一年有約400天，2.8億年前為390天。研究表明，每經過一百年，地球自轉長期減慢近2毫秒（1毫秒＝千分之一秒），它主要是由潮汐摩擦引起的。此外，由於潮汐摩擦，使地球自轉角動量變小，從而引起月球以每年3～4釐米的速度遠離地球，使月球繞地球公轉的週期變長。除潮汐摩擦原因外，地球半徑的可能變化、地球內部地核和地幔的耦合、地球表面物質分佈的改變等也會引起地球自轉長期變化。

地球自轉速度除上述長期減慢外，還存在著時快時慢的不規則變化，這種不規則變化同樣可以在天文觀測資料的分析中得到證實，其中從週期為近十年乃至數十年不等的所謂"十年尺度"的變化和週期為2～7年的所謂"年際變化"，得到了較多的研究。十年尺度變化的幅度可以達到約±3毫秒，引起這種變化的真正機制目前尚不清楚，其中最有可能的原因是核幔間的耦合作用。年際變化的幅度為0.2～0.3毫秒，相當於十年尺度變化幅度的十分之一。這種年際變化與厄爾尼諾事件期間的赤道東太平洋海水溫度的異常變化具有相當的一致性，這可能與全球性大氣環流有關。然而引起這種一致性的真正原因目前正處於進一步的探索階段。此外，地球自轉的不規則變化還包括幾天到數月週期的變化，這種變化的幅度約為±1毫秒。

地球自轉的週期性變化主要包括週年週期的變化，月週期、半月週期變化以及近週日和半週日週期的變化。週年週期變化，也稱為季節性變化，是二十世紀三十年代發現的，它表現為春天地球自轉變慢，秋天地球自轉加快，其中還帶有半年週期的變化。週年變化的振幅為20～25毫秒，主要由風的季節性變化引起。半年變化的振幅為8～9毫秒，主要由太陽潮汐作用引起的。此外，月週期和半月週期變化的振幅約為±1毫秒，是由月亮潮汐力引起的。地球自轉具有周日和半週日變化是在最近的十年中才被發現並得到證實的，振幅只有約0.1毫秒，主要是由月亮的週日、半週日潮汐作用引起的。