二十四节气起源于上古时代的农耕文明，古人通过观察天体运行，结合农事活动而形成的时间体系。
二十四节气的发展始于春秋，确立于秦汉，经历了从二分二至到四时八节，再到二十四个节气逐步完善的过程。
据《尚书·尧典》《周礼·春官宗伯》的记载，西周时期人们已经根据观察太阳和月亮来确定四季。
春秋时期，古人开始利用圭表测影法在黄河流域测定节气。
“树八尺之表，夏至日，景长尺有五寸；冬至日，景长一丈三尺五寸”，即竖起高为8尺的标杆，在夏至日观测，中午的日影是1.5尺，冬至日中午的日影是13.5尺。通过观测标杆的日影长度变化，人们可以确定冬至、夏至等重要节气的时间点。
古人又利用水均衡滴漏的原理，发明了漏壶来确定时刻。人们将昼夜时间相等的两天定为春分和秋分，将日影最长和最短的日子定为冬至和夏至，由此确定了二分二至。
后来，随着圭表测日技术的提高，立春、立夏、立秋、立冬四个节气也被确定下来。《左传·僖公五年》记载“分至启闭”，就是指二分二至和立春、立夏、立秋、立冬八个节气。
战国时期，古人已经学会通过观察北斗七星在夜空中的指向来确定季节。
北极星位于地球自转的地轴上，相对其他恒星是静止的。北斗七星所在的大熊座会每天绕北极星逆时针旋转一圈，每4分钟转动1°，每小时转动15°。由于地球同时也围绕着太阳公转，所以在每天的同一时刻，北斗七星的斗柄方向都有不同。战国时期的《鹖冠子·环流篇》有记载：“斗柄东指，天下皆春；斗柄南指，天下皆夏；斗柄西指，天下皆秋；斗柄北指，天下皆冬。”
西汉初期，二十四节气在《淮南子》的《天文训》中被完整地记载下来。
公元前104年，汉武帝时期将“二十四节气”纳入《太初历》国家历法收录，并以此来指导农事。采用土圭测日影（平均时间法）在黄河流域测定日影最长、白昼最短（日短至）这天作为冬至日，以冬至日为“二十四节气”的起点，将冬至与下一个冬至之间均分24等份，每“节气”之间的时间相等，每个节气间隔时间15天，始于冬至，终于大雪。
东汉时期，张衡用铜铸成了浑天仪，上面分列有二十八星宿和二十四节气，说明当时二十四节气已经很完善。
至此，二十四节气在中国已经沿用了2000多年。
2016年11月30日，二十四节气被列入联合国教科文组织人类非物质文化遗产代表作名录，被誉为中国的第五大发明。