Trục của Trái Đất bị tuế sai vì hành tinh này không phải là hình cầu hoàn hảo (nó là một hình cầu bẹt, lồi hơn ở khu vực gần xích đạo) khiến cho các lực hấp dẫn của Mặt Trăng, Mặt Trời và các thiên thể khác tạo ra mômen lực lên nó (lực thủy triều). Các mômen lực không cùng phương với vận tốc góc của Trái Đất, có xu hướng kéo các chỗ lồi xích đạo vào trong mặt phẳng quỹ đạo của Trái Đất xung quanh Mặt Trời (mặt phẳng hoàng đạo), gây nên hiện tượng tuế sai của trục quay Trái Đất.

Trái Đất thực hiện xong một chu kỳ tuế sai trong khoảng thời gian khoảng 25.800 năm, theo đó vị trí của các ngôi sao được đo theo hệ tọa độ xích đạo sẽ thay đổi một cách chậm chạp; việc thay đổi này thực ra là do sự thay đổi của hệ tọa độ. Theo thời gian của chu kỳ này cực trục bắc của Trái Đất chuyển động từ chỗ hiện nay nó đang ở (trong phạm vi 1°Của Polaris) theo một đường tròn xung quanh cực hoàng đạo, với bán kính góc khoảng 23,5°. Sự dịch chuyển là 1° sau mỗi 180 năm (góc được lấy từ người quan sát chứ không phải từ tâm của vòng tròn này).

Polaris không phải là ngôi sao đặc biệt phù hợp để xác định cực bắc bầu trời, do độ sáng biểu kiến của nó là biến thiên và dao động xung quanh giá trị 2,1 - tương đối thấp trong danh sách các sao sáng nhất của bầu trời. Mặt khác, vào khoảng năm 3000 TCN ngôi sao mờ Thuban trong chòm sao Thiên Long (Draco) đã là sao cực bắc; nó có độ sáng biểu kiến 3,67 hay 5 lần mờ hơn Polaris; ngày nay nó rất khó nhìn thấy ở các khu vực thành phố bị ô nhiễm hay do ánh sáng điện. Ngôi sao sáng nhất được biết đến như là (hay được dự đoán sẽ là) sao Bắc cực là ngôi sao sáng nổi tiếng Sao Chức Nữ (Vega) trong chòm sao Thiên Cầm (Lyra), nó sẽ là sao bắc cực vào khoảng năm 14.000. Khi nhìn xuống Trái Đất từ cực bắc, hướng của tuế sai sẽ là theo chiều kim đồng hồ. Khi đứng trên Trái Đất nhìn ra bên ngoài, trục này xuất hiện với chuyển động ngược chiều kim đồng hồ ngang trên bầu trời. Ý niệm này của tuế sai, chống lại sự tự quay quanh trục của Trái Đất, là ngược với tuế sai của con quay trên bàn. Lý do là các ngẫu lực tác động lên Trái Đất bởi Mặt Trời và Mặt Trăng cố làm cho trục tự quay của nó trực giao với mặt phẳng quỹ đạo, tức là làm cho Trái Đất đứng thẳng hơn so với mặt phẳng quỹ đạo, trong khi mô men xoắn trên đỉnh con quay trên một bề mặt cứng thì lại cố làm cho nó đổ xuống hơn là làm cho nó đứng thẳng hơn.

Vòng tròn di chuyển của cực Bắc trục Trái Đất trên bầu trời sao theo thời gian. Hình vẽ này là gần đúng vì chưa tính đên chương động hay các nhiễu loạn bậc cao khác.Vòng tròn di chuyển của cực Nam trục Trái Đất trên bầu trời sao.

Polaris hiện nay không nằm chính xác trên cực bắc; bất kỳ một bức ảnh chụp lâu nào về nó đều chỉ ra rằng nó có một cái đuôi nhỏ, chứng tỏ nó không hoàn toàn "đứng im". Tuế sai của cực nam là ngược hướng với tuế sai trên cực bắc. Cực nam nằm trong khu vực có tương đối ít sao, và ngôi sao được coi là sao Nam cực là Sigma Octantis, nó tương đối gần với cực nam nhưng mờ hơn cả Thuban—độ sáng biểu kiến của nó là 5,5 - nó rất khó thấy kể cả khi hoàn toàn người quan sát trong khu vực hoàn toàn tối. Tuế sai của Trái Đất không phải là đều vì Mặt Trời và Mặt Trăng không hoàn toàn nằm trên cùng mặt phẳng với mặt phẳng quỹ đạo Trái Đất và chúng là chuyển động tương đối đối với nhau, do vậy ngẫu lực tác động lên Trái Đất cũng biến động. Biến thiên của các ngẫu lực này lên Trái Đất tạo ra chuyển động không đều rất nhỏ của các cực gọi là chương động.

Tuế sai của trục Trái Đất là một hiệu ứng diễn ra rất chậm, nhưng ở mức độ chính xác mà các công việc liên quan đến thiên văn cần phải có thì phải tính tới nó. Cũng lưu ý rằng tuế sai của trục Trái Đất không có ảnh hưởng gì tới độ nghiêng của mặt phẳng xích đạo Trái Đất (và vì thế độ nghiêng của trục quay của Trái Đất) trên mặt phẳng quỹ đạo. Độ nghiêng này là 23,45 độ và tuế sai không làm thay đổi điều này. Độ nghiêng của mặt phẳng xích đạo trên mặt phẳng quỹ đạo có bị thay đổi nhưng chu kỳ của nó là hoàn toàn khác (chu kỳ chính vào khoảng 41.000 năm).

Hình dưới đây minh họa các hiệu ứng của tuế sai trục theo các mùa, tương ứng với điểm cận nhật và điểm viễn nhật. Tuế sai của điểm phân có thể sinh ra thay đổi khí hậu có chu kỳ (xem chu kỳ Milankovitch), vì bán cầu có mùa hè ở điểm cận nhật và mùa đông ở điểm viễn nhật (bán cầu nam hiện nay là như vậy) về nguyên lý sẽ có các mùa rõ ràng hơn ở bán cầu kia.

Hiện tượng lắc lư của trục Trái Đất làm thay đổi chậm thời điểm giao mùa từ năm này sang năm khác, do mùa phụ thuộc vào hướng và độ nghiêng của trục so với hệ tọa độ hoàng đạo. Sau khoảng 5.000 năm nữa thì thời điểm xuân phân ở bắc bán cầu tương ứng với vị trí Trái Đất trên điểm cận nhật trong quỹ đạo quanh Mặt Trời

Hipparchus lần đầu tiên đã ước tính tuế sai của Trái Đất vào khoảng năm 130 TCN, bổ sung các quan sát của ông vào trong các tính toán của các nhà thiên văn Babylon và Chaldea trước đó vài thế kỷ. Cụ thể là họ đã tính toán được khoảng cách từ các ngôi sao như sao Giác (Spica) tới Mặt Trăng và Mặt Trời vào các thời điểm diễn ra các nguyệt thực và do ông có thể tính khoảng cách của Mặt Trăng và Mặt Trời từ các điểm phân tại các thời điểm này, ông nhận ra rằng Spica và các ngôi sao khác là có sự dịch chuyển khi quan sát theo thời gian tính theo hàng thế kỷ.

Tuế sai của trục Trái Đất sinh ra hiện tượng là: chu kỳ của các mùa (năm chí tuyến) vào khoảng 20,4 phút ngắn hơn so với chu kỳ để Trái Đất trở lại cùng một vị trí trong mối tương quan với các ngôi sao của năm trước đó (năm thiên văn). Điều này tạo ra sự thay đổi chậm (1 ngày trong khoảng 58 năm) trong vị trí của Mặt Trời trong tương quan với các ngôi sao ở điểm phân. Nó là đáng chú ý đối với các loại lịch và các quy tắc năm nhuận của chúng.