Des de l’antigor, ha estat emprat el dia com a unitat bàsica de temps, i com a tal unitat hom n'ha anat redefinint més i més acuradament la durada. Inicialment, cada poble assignava al dia una durada pròpia: o bé les hores de llum diürna, com els babilonis, o bé les 24 hores, com els alexandrins. Els romans el dividiren en dotze hores iguals, repartides en cicles de tres hores: prima, tèrcia, sexta i nona. Entre els jueus, el dia començava al capvespre, segons les normes bíbliques. Al segle IV aC els grecs descobriren el mecanisme dels eclipsis, amb la qual cosa comprengueren la natura de l’obscuritat nocturna. Posteriorment, amb l’establiment de la teoria heliocèntrica de Copèrnic, el dia fou íntimament relacionat amb la rotació de la Terra.
Quan aquest fet començà a tenir l’acceptació general, els astrònoms iniciaren la recerca de procediments que els permetessin de determinar l’interval de temps que la Terra necessita per a fer una revolució completa, comptada a partir d’una posició i d’uns instants assenyalats prèviament. Un d’aquests procediments consisteix a prendre com a referència el pas d’un astre pel meridià d’un lloc i defineix el dia com l’interval de temps que transcorre entre dues passades consecutives de l’astre pel meridià. D’acord amb la idea intuïtiva de dia, el primer astre que hom prengué com a referència fou el Sol, i l’interval entre dues passades consecutives de l’astre pel meridià és el dia solar veritable. Aquesta durada així definida no coincideix exactament amb la de la rotació de la Terra, puix que el moviment aparent del Sol respecte als estels fixos fa que aquest sigui de dia en dia una mica més a l’est, i, d’altra banda, el trasllat aparent del Sol al firmament no és uniforme, sinó que depèn de l’època de l’any, i, per tant, la durada del dia solar veritable no és la mateixa sempre. Per tal de resoldre aquest inconvenient, hom defineix un astre fictici, el Sol mitjà, el qual es mou amb velocitat uniforme, i coincideix una vegada l’any i en una determinada posició amb el Sol veritable; a diferència de l’astre real, cada dia recorre una distància constant. A partir d’aquest astre fictici, hom defineix el dia solar mitjà com l’interval de temps que transcorre entre dues passades consecutives d’aquest astre pel meridià d’un lloc. Per tal de definir el dia, de manera que la seva durada coincideixi exactament amb la rotació de la Terra i que sigui la mateixa en qualsevol època de l’any, hom defineix el dia sideral com l’interval de temps que transcorre entre dues passades consecutives d’un estel llunyà pel meridià d’un lloc. Aquesta definició té l’inconvenient que, per tal de tenir la seguretat que la posició del cos celeste de referència és invariant en el firmament, hom ha de prendre com a referència un estel o una galàxia molt llunyans, i, per tant, de difícil observació. Aquest problema és resolt prenent com a referència el moviment del punt vernal, la posició del qual és de fàcil determinació. La durada d’un dia sideral és constant quan hom considera períodes de temps breus, però a llarg termini presenta també variacions a causa dels moviments del punt vernal, entre els quals destaca el motivat per la precessió dels equinoccis. Bé que aquesta irregularitat sigui petita, per tal d’eliminar-la hom defineix un punt vernal fictici la posició del qual és la mitjana de les posicions reals del punt vernal. Hom dóna el nom de dia sideral mitjà a la durada del dia que defineix aquest punt. Un altre inconvenient, essencial d’acord amb la definició de dia, que impedeix de trobar un fenomen lligat amb la rotació de la Terra i que es repeteixi periòdicament, és que aquesta rotació varia, bé que lleugerament, en el transcurs dels segles. Aquest fet és causat principalment pel fregament dels oceans amb la superfície terrestre produït per les marees, la qual cosa fa que la Terra dissipi energia de rotació i retardi, doncs, la seva velocitat de girament.
Cadascun dels dies esmentats és dividit en 24 hores, cada hora en 60 minuts i cada minut en 60 segons. La durada de cadascuna d’aquestes subunitats de temps és distinta per a cada definició de dia, i, per tant, en astronomia cal especificar la definició emprada. El dia i les altres subunitats que hom empra en la vida ordinària, o sia l’anomenat temps civil, correspon al dia solar mitjà. Una altra qüestió que cal fixar és el començament del dia. Els astrònoms convingueren que el dia comença a partir de la culminació superior de la referència considerada, o sia el Sol o el punt vernal. Per a usos civils, hom considera que el dia comença en arribar l’astre a la seva culminació inferior, és a dir, en el cas del Sol, a mitjanit.