Orice mișcare către sau departe de un observator nemișcat se numește viteză radială, iar mișcarea oricărui obiect este definită atât de viteză, cât și de direcție. Pentru a defini direcția obiectului, totuși, trebuie cunoscut cadrul de referință al observatorului. În spațiul normal, tridimensional, observatorul are un cadru de referință care este fix, cu orice număr de obiecte care se deplasează spre sau se îndepărtează de locația sa.
Planetele aflate în cea mai mare parte pe orbite circulare posedă o viteză radială mică în raport cu soarele lor, dar pentru observatorii fixați, în afara sistemului solar, o astfel de planetă își schimbă mișcarea spre și departe de ei pe întreaga sa orbită. Se vede că planeta posedă două viteze radiale maxime: una pozitivă, când planeta se îndepărtează de observator spre partea îndepărtată a soarelui său și una negativă, când planeta se deplasează din spatele soarelui său către observator. Când astronomii folosesc telescoape pentru a observa sistemele corpurilor care orbitează, datele sunt detectate ca energie electromagnetică. Undele de energie primite de telescoape sunt diferite, în funcție de faptul dacă obiectul care orbitează se mișcă spre sau se îndepărtează de lunetă.
Faptul că undele de energie de la obiectele care se deplasează spre observator sunt comprimate și par să posede o frecvență mai mare decât undele de la obiectele care se îndepărtează de observator se numește schimbare Doppler, propusă de Christian Doppler în 1842. De exemplu, pe măsură ce planetele orbitează stelele îndepărtate , le smulg departe de centrele lor de greutate, făcându-le să se miște spre sau să se îndepărteze de observator. Mișcarea ușoară a stelei către sau spre îndepărtare face ca spectrul său, culorile curcubeului ale luminii sale, să se deplaseze spre albastru pe măsură ce se apropie și spre roșu pe măsură ce se îndepărtează. Folosind această metodă de viteză radială, momentul trecerii de la roșu la albastru și înapoi, oferă astronomilor informații despre masa și ciclul orbital al planetelor care orbitează stelele îndepărtate.
Această metodă poate fi folosită și în astronomie pentru a măsura vitezele constante ale stelelor care orbitează în jurul galaxiilor îndepărtate atunci când sunt privite la margine. Undele de lumină sau radio primite de la stelele care se deplasează spre telescop se schimbă la frecvențe mai înalte, în timp ce undele de lumină sau radio de la stelele care se îndepărtează de telescop se deplasează către lungimi de undă de frecvență mai joasă. Cantitatea deplasării indică atât viteza relativă a stelelor în raport cu observatorul, cât și viteza unghiulară a stelelor aflate pe orbită în jurul galaxiei.
Prognoza meteo a fost ajutată foarte mult de hărțile de viteză radială măsurate de radarul meteo Doppler. Așa cum viteza radială înregistrată pentru o galaxie în rotație arată rotația prin deplasarea în roșu și albastru a undelor luminoase, schimbarea frecvenței undelor radio indică mișcarea de rotație în furtuni precum cicloane, uragane și tornade. Meteorologii pot emite avertismente de tornadă devreme când văd schimbarea Doppler în sistemele meteorologice severe.
Deplasarea Doppler, sau metoda vitezei radiale, poate fi utilizată pe orice corp sau sisteme de corpuri care se află pe orbită sau care vibrează în jurul unui centru comun. Atât obiectele cerești, cât și modelele meteorologice afișează o schimbare în roșu sau în albastru, în funcție de faptul dacă obiectele se apropie sau se retrag de observator în direcția radială. Limita superioară a vitezei radiale a fost descrisă de Albert Einstein ca fiind viteza luminii în vid, iar teoria sa specială a relativității se aplică acestei mișcări radiale cu linie directă de vedere.