Οποιαδήποτε κίνηση προς ή μακριά από έναν ακίνητο παρατηρητή ονομάζεται ακτινική ταχύτητα και η κίνηση οποιουδήποτε αντικειμένου ορίζεται τόσο από την ταχύτητα όσο και από την κατεύθυνση. Για να οριστεί η κατεύθυνση του αντικειμένου, ωστόσο, πρέπει να είναι γνωστό το πλαίσιο αναφοράς του παρατηρητή. Σε κανονικό, τρισδιάστατο χώρο, ο παρατηρητής έχει ένα πλαίσιο αναφοράς που είναι σταθερό, με οποιονδήποτε αριθμό αντικειμένων να κινείται προς ή μακριά από τη θέση του/της.
Οι πλανήτες σε κυρίως κυκλικές τροχιές έχουν μικρή ακτινική ταχύτητα σε σχέση με τους ήλιους τους, αλλά για σταθερούς παρατηρητές, εκτός του ηλιακού συστήματος, ένας τέτοιος πλανήτης αλλάζει την κίνησή του προς και μακριά από αυτούς σε όλη την τροχιά του. Ο πλανήτης φαίνεται να έχει δύο μέγιστες ακτινικές ταχύτητες: μία θετική, καθώς ο πλανήτης απομακρύνεται από τον παρατηρητή στην μακρινή πλευρά του ήλιου του και μία αρνητική, καθώς ο πλανήτης κινείται από πίσω από τον ήλιο του προς τον παρατηρητή. Όταν οι αστρονόμοι χρησιμοποιούν τηλεσκόπια για να παρατηρήσουν συστήματα σωμάτων σε τροχιά, τα δεδομένα ανιχνεύονται ως ηλεκτρομαγνητική ενέργεια. Τα ενεργειακά κύματα που λαμβάνουν τα τηλεσκόπια είναι διαφορετικά, ανάλογα με το αν το αντικείμενο που βρίσκεται σε τροχιά κινείται προς ή μακριά από το πεδίο εφαρμογής.
Το γεγονός ότι τα ενεργειακά κύματα από αντικείμενα που κινούνται προς τον παρατηρητή συμπιέζονται και φαίνεται να έχουν υψηλότερη συχνότητα από τα κύματα από αντικείμενα που απομακρύνονται από τον παρατηρητή ονομάζεται μετατόπιση Doppler, που προτάθηκε από τον Christian Doppler το 1842. Για παράδειγμα, καθώς οι πλανήτες περιστρέφονται γύρω από μακρινά αστέρια , τα απομακρύνουν από τα κέντρα βάρους τους, αναγκάζοντάς τα να μετακινηθούν προς ή μακριά από τον παρατηρητή. Η ελαφρά κίνηση του αστεριού προς ή μακριά προκαλεί το φάσμα του, τα χρώματα του ουράνιου τόξου του φωτός του, να μετατοπίζονται προς το μπλε καθώς πλησιάζει και προς το κόκκινο καθώς απομακρύνεται. Χρησιμοποιώντας αυτή τη μέθοδο ακτινικής ταχύτητας, ο χρονισμός της μετατόπισης από το κόκκινο στο μπλε και πάλι πίσω, δίνει στους αστρονόμους πληροφορίες σχετικά με τη μάζα και τον τροχιακό κύκλο των πλανητών που περιφέρονται γύρω από μακρινά αστέρια.
Αυτή η μέθοδος μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί στην αστρονομία για τη μέτρηση των σταθερών ταχυτήτων των άστρων που περιφέρονται γύρω από μακρινούς γαλαξίες όταν τα βλέπουμε από άκρη σε άκρη. Το φως ή τα ραδιοκύματα που λαμβάνονται από αστέρια που κινούνται προς το τηλεσκόπιο μετατοπίζονται σε υψηλότερες συχνότητες, ενώ το φως ή τα ραδιοκύματα από αστέρια που απομακρύνονται από το τηλεσκόπιο μετατοπίζονται προς μήκη κύματος χαμηλότερης συχνότητας. Το μέγεθος της μετατόπισης δείχνει τόσο τη σχετική ταχύτητα των άστρων σε σχέση με τον παρατηρητή όσο και τη γωνιακή ταχύτητα των αστεριών σε τροχιά γύρω από τον γαλαξία.
Η πρόγνωση του καιρού έχει βοηθήσει πολύ από τους χάρτες ακτινικής ταχύτητας όπως μετρήθηκαν από το ραντάρ καιρού Doppler. Ακριβώς όπως η ακτινική ταχύτητα που καταγράφεται για έναν περιστρεφόμενο γαλαξία δείχνει περιστροφή με κόκκινο και μπλε μετατόπιση των κυμάτων φωτός, η αλλαγή στη συχνότητα των ραδιοκυμάτων δείχνει την περιστροφική κίνηση σε καταιγίδες όπως κυκλώνες, τυφώνες και ανεμοστρόβιλοι. Οι μετεωρολόγοι μπορούν να εκδώσουν προειδοποιήσεις ανεμοστρόβιλου νωρίς όταν δουν τη μετατόπιση Doppler σε συστήματα με έντονα καιρικά φαινόμενα.
Η μετατόπιση Doppler, ή η μέθοδος ακτινικής ταχύτητας, μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε οποιοδήποτε σώμα ή συστήματα σωμάτων που βρίσκονται σε τροχιά ή δονούνται γύρω από ένα κοινό κέντρο. Τόσο τα ουράνια αντικείμενα όσο και τα καιρικά μοτίβα εμφανίζουν μια κόκκινη ή μια μπλε μετατόπιση, ανάλογα με το αν τα αντικείμενα πλησιάζουν ή υποχωρούν από τον παρατηρητή στην ακτινική κατεύθυνση. Το ανώτερο όριο της ακτινικής ταχύτητας περιγράφηκε από τον Άλμπερτ Αϊνστάιν ως η ταχύτητα του φωτός στο κενό, και η ειδική θεωρία της σχετικότητας εφαρμόζεται σε αυτήν την ευθεία οπτική, ακτινική κίνηση.