恆星日，是指地球同一條經線，兩次對向同一恆星的時間間隔，恆星日是以遙遠的恆星為參考系，是地球自轉360度的週期，為23小時56分4秒。簡單地説，恆星日是地球自轉週期。太陽日是一個晝夜的週期。天文學上表示時間的單位，即以太陽的視圓面中心作參考點，日地中心連線連續兩次與某地經線相交的時間間隔。
天文學以恆星為標準量度地球自轉的週期，叫做地球自轉的恆星週期，也就是一個恆星日。1恆星日=平太陽日的23小時56分4秒，是地球真正的自轉週期。地球自轉一週實際所需的時間（23小時56分4秒），也就是地球同一條經線對某一個恆星週期所需的時間。一個恆星日等於23小時56分4秒。
在天文學上，定義恆星日的不是具體的恆星，而是黃道對於天赤道的升交點，即白羊宮第一點，就是北半球的春分點。但是春分點在不斷的西移（歲差），所以天文學上的恆星日與太陽日還是有區別的。
當地球位於A點時，太陽、 恆星、地心、地球上某一點O點位於同一條直線上。地球位於B點時，地球已經自轉了360度，O點又位於恆星與地心的連線上，所以，從A點到B點為恆星日。地球位於C點時，地球自轉了360.59‘，此時，O點位於太陽與地心的連線上，從A點到C點為一個太陽日。
