El otoño astronómico comenzará septiembre a las 10.21 horas (hora peninsular española) y durará 89 días y 20 horas, terminando el 22 de diciembre con la llegada del invierno, según el Instituto Geográfico Nacional. Así, el otoño comenzará en el hemisferio norte, al tiempo en que empieza la primavera en el hemisferio sur.

El inicio astronómico de las estaciones viene dado, por convenio, como el instante en que la Tierra pasa por una determinada posición de su órbita alrededor del Sol. Esta posición, en el caso del otoño, es desde la que el centro del Sol visto desde la Tierra cruza el ecuador celeste en su movimiento aparente hacia el sur. El día en que esto sucede, la duración del día y la noche prácticamente coinciden, y por eso, a esta circunstancia se la llama también equinoccio de otoño. En este instante en el hemisferio sur se inicia la primavera.

El equinoccio de otoño puede darse en cuatro fechas distintas, que van del 21 al 24 de septiembre. A lo largo del siglo XXI el otoño se iniciará en los días 22 y 23 de septiembre (fecha oficial española), siendo su inicio más tempranero el del año 2096 y el inicio más tardío el de 2003. El motivo por el que la fecha varía de un año a otro se deben al modo de la secuencia de los años según el calendario, ya que unos años son bisiestos y otros no, con la duración de cada órbita de la Tierra alrededor del Sol (duración conocida como año trópico).

El cambio de hora tendrá lugar el 25 de octubre recuperando así el horario de invierno. Esta estación es la época del año en que la longitud del día se acorta más rápido, ya que en la latitud de la Península, el Sol sale por las mañanas, más de un minuto más tarde que el día anterior y por la tarde se acorta cada día dos minutos antes, por lo que el anochecer es especialmente apreciable. En definitiva, en estos días el tiempo en que el Sol está por encima del horizonte se reduce en casi tres minutos cada día.

Por otra parte, este otoño comenzará con un eclipse total de Luna, que tendrá lugar en la madrugada del 28 de septiembre y que será visible desde España, si las condiciones climatológicas lo permiten. Además, ese mismo día se registrará la primera luna llena del otoño, dándose las siguientes 29 o 30 días después: 27 de octubre y 25 de noviembre.

También será un mes perfecto para ver la lluvia de meteoros, las Dracónidas, cuyo máximo se da hacia el 8 de octubre. Otro suceso similar, también muy popular en esta época del año, es la lluvias de Leónidas, que se da alrededor del 17 de noviembre y que ocasionalmente llega a ser muy intensa. Sin embargo, la más intensa suele ser la de las Gemínidas, cuyo máximo ritmo se da alrededor del 13 de diciembre. Finalmente, respecto a las agrupaciones de estrellas conocidas como constelaciones, alrededor de la estrella Polar se verán a lo largo de la noche Cisne, Casiopea, Osa Menor y Jirafa. Las constelaciones eclípticas visibles en este periodo van de Capricornio a Virgo. Por encima de la eclíptica destacarán Pegaso y Andrómeda; por debajo, Ballena y Orión, así como las estrellas Sirio y Proción.