בימי בית ראשון ובית שני נקבעו ראשי החודשים בהכרזה של בית הדין, לפי ראיית הירח ממש (בניגוד למצב בימינו, שבו הלוח מבוסס על חישוב מולד הירח הממוצע, חישוב שאינו חוזה את המולד האסטרונומי במדויק). בסוף החודש העברי, הירח חשוך ואינו גלוי לעין, שכן חלקו המואר של הירח הוא צידו המרוחק מכדור הארץ. (המצב הפוך לירח מלא.) הירח החדש, הנראה כסהר דקיק, שוקע זמן קצר לאחר שקיעת השמש, ומציין את ראשיתו של החודש החדש. אם במהלך היום ה-30 בחודש התקבלה על ידי בית הדין הגדול עדות על ראיית סהר הירח של החודש החדש בסוף יום האתמול, נקבע היום ה-30 כראש החודש הבא. אם לא, נדחה ראש החודש למחרת, ללא תלות בראיית הירח החדש, והחודש יהיה בן 30 ימים. בכל מקרה, לא יהיה חודש שאורכו פחות מ-29 או יותר מ-30 יום.
במסכת ראש השנה מובאים תאורים של הלכות ומנהגים שנועדו לעודד את הציבור להגיע לבית הדין ולהעיד על ראיית הירח החדש, בעדות שנקראה "עדות החודש". ההלכה קובעת שתיקון הלוח הוא מספיק חשוב כדי להתיר לעדים לחלל שבת על מנת להגיע לבית הדין ולהעיד לצורך קידוש החודש. בית הדין היה בוחן את העדים בדרכים המקובלות של וידוא שאין סתירות בין עדויות העדים, כדי לבדוק את אמינותן, ובנוסף נעזרו חברי בית הדין בידע האסטרונומי שלהם, באמצעותו חישבו באיזה כיוון ובאיזו צורה ייראה הסהר החדש, כדי לאמת את עדויות הראייה של העדים. כלל ברזל נקבע, כנראה על מנת למנוע פיצול בלוח, שההחלטה הסופית לגבי תאריך ראש החודש מסורה בלעדית בידי בית הדין הגדול, וכל קביעה שלו, אפילו התברר בדיעבד כי הייתה שגויה בעליל, ואפילו מוטעית בזדון, היא הקובעת לכל דבר ועניין.
ישנן דעות שבית הדין לא היה כובל עצמו אך ורק לעדות הראייה, אלא היה משתדל למנוע מחגים מסוימים לחול בימים מסוימים (ערב שבת, שבת, יום ראשון) על ידי פסילת העדים או אי קבלתם ובכך לגרום לעיבור החודש.
לאחר קביעת מועד ראש החודש, בית הדין היה מודיע ליהודים בכל רחבי ארץ ישראל וגם מחוצה לה, על מועד ראש החודש. שיטה אחת להעברת הודעות הייתה הדלקת משואות שציינו את קביעת החודש החדש. אך לאחר שהיו ניסיונות של כותים להעביר מידע שגוי, הועבר המידע באמצעות שליחים.
בנוסף לקביעת אורכי החודשים, בית הדין היה מתכנס כדי להחליט האם לעבר את השנה ולהוסיף בסוף השנה, בין חודש שבט לחודש אדר, חודש נוסף. בית הדין היה מחליט לפי מספר שיקולים שכללו את החשבון האסטרונומי (מועד יום השוויון האביבי) והמצב החקלאי: מידת הבשלת השעורה בארץ, מצב פירות האילן.
לפי דעות מסוימות (כך דעת רס"ג, ורבנו חננאל) מאז ומעולם קבעו חודשים אך ורק על פי החשבון, וכל עניין עדות העדים וראיית הירח התחדשו בתקופת בית שני לאימות החשבון המקובל, וזאת כנגד טענות הבייתוסים ודומיהם. רוב ההיסטוריונים גורסים כי שיטת התצפית והעדות ושיטת החישוב המתמטי-אסטרונומי שימשו זו בצד זו עד לימי הלל נשיאה.
גיבוש הלוח העברי המחושב.
עקב קשיים בפרסום מועדי ראשי החודשים, קבע בשנת 359 לספירה רבי הלל נשיאה (המכונה "הלל השני"), מצאצאי רבי יהודה הנשיא, את חשבונות לוח השנה העברי כפי שהוא מקובל עד לימינו. מאז אין נוהגים לקדש ראשי חדשים לפי ראיית הירח אלא לפי חשבונותיו של רבי הלל. כמו כן בוטל עיבור השנה לפי מציאת האביב בארץ ישראל והחלו לעבר שנים לפי מחזור של 19 שנים.
אין עדות ישירה על תקנתו של הלל נשיאה, ולמדים עליה רק ממקורות מאוחרים: החיבור "ספר העיבור", מאת ר' אברהם בר חייא הנשיא, שנכתב במאה ה-12, ומאזכור בחיבורו של הרמב"ן "ספר הזכות". מקורות אלה מתארכים את התקנה לשנת 670 לשטרות, שהיא שנת ד'קי"ט לבריאת העולם, המקבילה לשנת 358/9 לספירה. אולם לאור העובדה שאין אזכורים מוקדמים יותר לתקנה, נראה שכללי הלוח היו ידועים רק לקבוצה מצומצמת של חכמים. מניתוח של מסמכים שהתגלו בגניזת קהיר נראה שהכללים שקבע הלל שונו מספר פעמים ורק בסוף תקופת הגאונים התקבעו הכללים הנהוגים כיום. בשנת 2016 פורסם קטע עם כללי לוח מגניזת קהיר המעיד על כך שבתחילת תקופת הגאונים עדיין היה חל ראש השנה ביום ראשון וכן כללי מילוי וחיסור החודשים חשוון וכסלו היו שונים
חיזוק להנחה שהלל נשיאה הוא שהנהיג את חשבונות הלוח באמצע המאה ה-4 לספירה, עולה מכך שבתקופה זו נוצרה עילה לקביעת החשבונות עקב התחזקות הנצרות. בוועידת ניקיאה, שהתכנסה בשנת 325, נקבעה ופורסמה השיטה לחישוב מועד חג הפסחא הנוצרי. על פי המסורת הנוצרית נצלב ישו ומת ביום שישי שחל בערב פסח, וקם לתחייה ביום ראשון שאחריו. הנוצרים הראשונים הקפידו להתאבל על ישו ביום שישי שבחול המועד, ולחגוג את תחייתו ביום ראשון שאחריו. בוועידת ניקיאה הוחלט לבטל סופית את הקשר ליהדות שהתבטא בצורך לברר את מועד חג הפסח בקרב היהודים, ונקבע שחג הפסחא ייחגג ביום ראשון בשבוע שחל אחרי מילואו של הירח שנראה אחרי 21 במרץ, הוא יום השוויון בין היום והלילה (לפי הלוח הרומי שהיה נהוג אז, וגם לפי הלוח הגרגוריאני היום).
חשבונותיו של הלל נשיאה מתאמים למעשה בין שלושה מחזורי זמן: מחזור הירח החודשי שמקביל להשתנות צורת הירח ומסלולו עד לחזרתו לצורה ולמסלול המקורי, מחזור השמש השנתי שמקביל להשתנות אורכי היום והלילה, כלומר לארבע עונות השנה, ומחזור השבוע - שישה ימי עבודה ויום מנוחה. כיוון שמחזורים אלו אינם חופפים, השילוב ביניהם מורכב למדי.
הפעלת הכללים לחישוב לוח השנה מאפשרת לראש השנה לחול סמוך לזמן שבו אפשרית ראיית הירח, בין שלושה ימים לפניה ליום אחד אחריה (כמעט תמיד חל ביום הראייה או עד שני ימים לפניו). מצד שני, מועדו של ראש השנה יחול תמיד זמן קצר לפני או אחרי מועד שוויון היום והלילה בסתיו (בספטמבר או בשבוע הראשון של אוקטובר לפי הלוח הגרגוריאני). מצד שלישי מועדו של ראש השנה לא יחול לעולם בימים א', ד', ו' (כך נמנע מיום הכיפורים למשל לחול סמוך לשבת). יתרון נוסף של חשבונו של הלל הוא ביכולת לחזות את מועדי הלוח העברי שנים רבות מראש.
חלק מחכמי ישראל במהלך הדורות (ובהם הרמב"ם) הצדיקו את המעבר ללוח העברי הקבוע בכך שהכול הלכה למשה מסיני. כלומר, גם קידוש החודשים לפי תצפית ועדות, וגם קידוש החודשים לפי חשבון (בזמן שאין סנהדרין, או בזמן שיש סנהדרין, כשנוצר צורך, למשל כאשר השמים מעוננים למשך כמה ראשי חודשים ברציפות), הם מן ההלכות שניתנו למשה בסיני.
מחלוקת רס"ג ובן מאיר.
ישנן עדויות כי בזמנו של רס"ג (רב סעדיה גאון) פרצה מחלוקת גדולה בנוגע לקביעת היום בו יחול ראש השנה. באותה תקופה היה רס"ג בדרכו מארץ ישראל לבבל ולא כיהן בשום תפקיד, אבל בדורות הבאים נחקק שמו כעיקרי במחלוקת. בארץ ישראל, באותה תקופה, שימש בתפקיד ראש ישיבת גאון יעקב רבי אהרן בן מאיר. ממכתבים שנתגלו בנושא ניתן ללמוד כי לבן מאיר הייתה מסורת שונה באשר ל-3 מכללי הדחיות. ההבדל העיקרי היה נעוץ בדחיית "מולד זקן": לשיטתו, "מולד זקן" ידחה את א' תשרי רק אם המולד חל לאחר י"ח שעות ותרמ"ב (642) חלקים. כתוצאה מכך גם דחיות ב'ט"ו תקפ"ט ו-ג"ט ר"ד, משתנות ונהפכות להיות ב'ט"ז קנ"א ו-ג"ט תתמ"ו.
ההבדל בא לידי ביטוי בשנים ד'תרפ"ב-ד'תרפ"ד. מולד תשרי בשנת ד'תרפ"ב (שנה מעוברת) חל ביום רביעי 11 שעות ו-932 חלקים. לפיכך על ראש השנה להדחות ליום חמישי לכל הדעות. בשנת ד'תרפ"ג היה המולד ביום ג', 9 שעות ו-441 חלקים. כאן מתחילה המחלוקת להשפיע. לשיטת רס"ג על ראש השנה להדחות בגלל 'ג"ט ר"ד', ואילו לשיטת בן מאיר (ג"ט תתמ"ו), אין לדחות את ראש השנה. מולד תשרי בשנת ד'תרפ"ד חל בשבת, 18 שעות ו-237 חלקים. שוב, לשיטת רס"ג יש לדחות את רה"ש ("מולד זקן") ואילו לשיטת בן מאיר, המולד "נופל" עדיין בטווח המותר, ועל כן אין לדחות את רה"ש.
לאחר דין ודברים קשים מאוד, הסתגר כל אחד מגדולים אלו בדעתו. בן מאיר טען כי קביעת המועדים מסורה לאנשי וחכמי ארץ ישראל. ואילו רס"ג טען לעומתו, כי אומנם כך היה בזמן שבית המקדש התקיים, אבל כאשר מחשבים את השנה ממילא בחשבון מתמטי, בלי קשר לעדים ולסנהדרין היושבת בירושלים, אין כל יתרון בעובדת היות בן מאיר חכם ארצישראלי. ואומנם, באותן שנים נהגו קהילות ישראל בבבל ובארץ ישראל מנהגים שונים ביחס לימי המועדים. הקהילות התאחדו ללוח אחיד בשנת ד'תרפ"ה, שבה לא הייתה מחלוקת בנוגע לקביעת הלוח. ברבות השנים, גברה דעתו של רס"ג על דעת בן-מאיר ונותרה היחידה שלפיה נהגו ונוהגים כל קהילות ישראל בתפוצות לכוון את לוח השנה שלהם.
מאמרים רבים וחוקרים שונים ניסו לעמוד על טיבה של מסורת בן מאיר, שכן בעוד שנראה כי עמדת רס"ג מעוגנת במסורות הידועות לנו, שיטת בן מאיר לא נזכרת בשום מקום אחר פרט אליו.
הגם שלא נתבררה עד תום שיטת בן מאיר, קרוב לוודאי שיש לקשור בינה ובין הגישה הארץ ישראלית שבניסן נברא העולם (ואכן, הלוחות שנשלחו על ידי בן מאיר כחלק מהפולמוס עם רס"ג נערכו על בסיס קביעת א ניסן של כל שנה ושנה). ובוודאי שאין זה מקרה שמולד ניסן שנה א - ד-ט-תרמ"ב - צופן בחובו את תרמ"ב החלקים שדרש בן מאיר להוסיף לגבול המולד הזקן.
היו מי שטענו, שהוספת תרמ"ב החלקים למולד זקן בשיטת בן מאיר נועדה להתאים את הדחיות בחשבון המולדות הנהוג לדחיות שהיו נוצרות לפי חשבון מולדות אחר, כזה שהניח לו ל'עיקר' את מולד ניסן בשנה ראשונה ביום ד ו-ט שעות, וללא תרמ"ב החלקים.