Jede Bewegung auf einen unbewegten Beobachter zu oder von ihm weg wird als Radialgeschwindigkeit bezeichnet, und die Bewegung eines Objekts wird sowohl durch Geschwindigkeit als auch Richtung definiert. Um die Richtung des Objekts zu definieren, muss jedoch der Bezugsrahmen des Beobachters bekannt sein. Im normalen, dreidimensionalen Raum hat der Betrachter einen festen Bezugsrahmen, in dem sich beliebig viele Objekte auf seinen Standort zu- oder von ihm wegbewegen.
Planeten auf meist kreisförmigen Umlaufbahnen besitzen eine geringe Radialgeschwindigkeit in Bezug auf ihre Sonnen, aber für ortsfeste Beobachter außerhalb des Sonnensystems ändert ein solcher Planet während seiner Umlaufbahn seine Bewegung auf sie zu und von ihnen weg. Der Planet besitzt zwei maximale Radialgeschwindigkeiten: eine positive, wenn sich der Planet vom Beobachter zur anderen Seite seiner Sonne bewegt, und eine negative, wenn sich der Planet hinter seiner Sonne zum Beobachter hin bewegt. Wenn Astronomen Teleskope verwenden, um Systeme von umlaufenden Körpern zu beobachten, werden die Daten als elektromagnetische Energie erfasst. Die von den Teleskopen empfangenen Energiewellen sind unterschiedlich, je nachdem, ob sich das umkreisende Objekt auf das Zielfernrohr zu oder davon weg bewegt.
Die Tatsache, dass Energiewellen von Objekten, die sich auf den Beobachter zubewegen, komprimiert werden und eine höhere Frequenz zu haben scheinen als Wellen von Objekten, die sich vom Beobachter wegbewegen, wird als Dopplerverschiebung bezeichnet, die 1842 von Christian Doppler vorgeschlagen wurde. Zum Beispiel, wenn Planeten entfernte Sterne umkreisen , sie ziehen sie von ihren Schwerpunkten weg, wodurch sie sich auf den Betrachter zu oder von ihm weg bewegen. Die leichte Bewegung des Sterns hin oder weg bewirkt, dass sich sein Spektrum, die Regenbogenfarben seines Lichts, in Richtung Blau verschiebt, wenn er sich nähert, und in Richtung Rot, wenn er sich weiter entfernt. Mit dieser Radialgeschwindigkeitsmethode, dem Zeitpunkt der Verschiebung von Rot zu Blau und zurück, erhalten Astronomen Informationen über die Masse und den Umlaufzyklus von Planeten, die ferne Sterne umkreisen.
Diese Methode kann auch in der Astronomie verwendet werden, um die konstanten Geschwindigkeiten von Sternen zu messen, die weit entfernte Galaxien umkreisen, wenn sie von der Kante betrachtet werden. Licht- oder Radiowellen, die von Sternen empfangen werden, die sich auf das Teleskop zubewegen, verschieben sich zu höheren Frequenzen, während Licht- oder Radiowellen von Sternen, die sich vom Teleskop wegbewegen, zu niedrigeren Frequenzwellenlängen verschoben werden. Der Betrag der Verschiebung gibt sowohl die relative Geschwindigkeit der Sterne in Bezug auf den Beobachter als auch die Winkelgeschwindigkeit der Sterne in der Umlaufbahn um die Galaxie an.
Die Wettervorhersage wurde durch Radialgeschwindigkeitskarten, die mit Doppler-Wetterradar gemessen wurden, stark unterstützt. So wie die für eine rotierende Galaxie aufgezeichnete Radialgeschwindigkeit die Rotation durch Rot- und Blauverschiebung von Lichtwellen zeigt, zeigt die Änderung der Frequenz von Radiowellen die Rotationsbewegung in Stürmen wie Zyklonen, Hurrikanen und Tornados an. Wettervorhersager können Tornado-Warnungen frühzeitig ausgeben, wenn sie die Doppler-Verschiebung in Unwettersystemen sehen.
Die Dopplerverschiebungs- oder Radialgeschwindigkeitsmethode kann bei jedem Körper oder Körpersystemen verwendet werden, die sich in einer Umlaufbahn befinden oder um ein gemeinsames Zentrum schwingen. Sowohl Himmelsobjekte als auch Wettermuster weisen eine Rotverschiebung oder eine Blauverschiebung auf, je nachdem, ob sich Objekte in radialer Richtung dem Beobachter nähern oder entfernen. Die obere Grenze der Radialgeschwindigkeit wurde von Albert Einstein als die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum beschrieben, und seine spezielle Relativitätstheorie gilt für diese direkte Sichtlinie, die Radialbewegung.