三九天是指从冬至逢壬日算起的第3个寒天，其是一年中最寒冷的一段时间。具体计算方法是，以冬至逢壬日为起点，每“九天”算一“九”，第一个九天叫做“一九”，第二个九天叫“二九”，第三个九天叫“三九”。所谓“热在三伏，冷在三九”，一年中当最寒冷的时段是“三九天”到“四九天”。
数九寒天，就是从冬至逢壬日（干支纪日）算起，每九天算一“九”，一直数到“九九”八十一天，“九尽桃花开”，此时寒气已尽，天气就暖和了。冬季最寒冷的一段时间一般是出现在冬至之后。立冬后，表示进入了冬季，并不是进入冬季就意味着开始寒冷，因此时地表在下半年贮存的热量还有一定的能量，所以还不很冷。在民间有“十月小阳春”一说，“十月小阳春”即是指在孟冬期间出现的风和日丽、温暖舒适“小阳春”天气，所以，实际上初冬（孟冬）这时期一般不会很冷，但随着时间推移，冷空气频繁南下，气温逐渐下降。在冬天季节，所谓“冷在三九与四九”，冬至之前通常不会很冷，真正寒冷是在冬至之后，尤其是“三九天、“四九天”。
在冬至时期，白天最短，太阳直射角度与地面夹角最小，单位面积的地面受到的日照强度最小，因此地面每天得到的太阳热量最少，地面日热量收支逆差尚未达到最大值。而冬至以后，虽然白天日趋增长，但增长的速度却很缓慢，从冬至到“三九”这一时期，平均每天只增长约一分钟，同时，太阳直射角度与地面夹角增加也很缓慢。
地面日热量收支仍处在逆差状况，所以继续失去热量，地温继续下降。地面总热量收支逆差在“三九、四九”时段才达到最大值。由于空气的温度主要受地温影响，这就导致了“三九、四九”时段气温最低。另外，“三九”前后，西伯利亚地区的冷气团也发展到极为强盛的阶段，强冷空气的频频入侵也是造成气温低的原因之一。
