شب چله یک مبنای نجومی دارد و مانند سایر جشن‌ها و آیین‌های کهن ایرانی با پدیده‌های طبیعی در ارتباط است. این شب منطبق با شب آغاز زمستان یا در حقیقت هم‌زمان با «انقلاب زمستانی» است. خورشید در حرکت سالانه خود در آخر پاییز به پایین‌ترین نقطه در افق جنوب شرقی می‌رسد که باعث کوتاه شدن طول روز و افزایش طول شب می‌شود. اما با آغاز انقلاب زمستانی، خورشید دوباره به سوی شمال شرقی باز می‌گردد که نتیجه آن افزایش طول روز و کاسته شدن از مدت زمان شب است.