Cualquier movimiento hacia o desde un observador inmóvil se llama velocidad radial, y el movimiento de cualquier objeto se define tanto por la velocidad como por la dirección. Sin embargo, para definir la dirección del objeto, se debe conocer el marco de referencia del observador. En un espacio tridimensional normal, el observador tiene un marco de referencia que es fijo, con cualquier número de objetos moviéndose hacia o alejándose de su ubicación.
Los planetas en órbitas en su mayoría circulares poseen poca velocidad radial con respecto a sus soles, pero para los observadores fijos, fuera del sistema solar, tal planeta cambia su movimiento hacia ellos y alejándose de ellos a lo largo de su órbita. Se considera que el planeta posee dos velocidades radiales máximas: una positiva, cuando el planeta se aleja del observador hacia el lado lejano de su sol, y una negativa, cuando el planeta se mueve desde detrás de su sol hacia el observador. Cuando los astrónomos usan telescopios para observar sistemas de cuerpos en órbita, los datos se detectan como energía electromagnética. Las ondas de energía recibidas por los telescopios son diferentes, dependiendo de si el objeto en órbita se acerca o se aleja del alcance.
El hecho de que las ondas de energía de los objetos que se mueven hacia el observador estén comprimidas y parezcan poseer una frecuencia más alta que las ondas de los objetos que se alejan del observador se denomina desplazamiento Doppler, propuesto por Christian Doppler en 1842. Por ejemplo, cuando los planetas orbitan estrellas distantes , los alejan de sus centros de gravedad, haciendo que se acerquen o se alejen del observador. El ligero movimiento de la estrella hacia o lejos hace que su espectro, los colores del arco iris de su luz, se desplace hacia el azul a medida que se acerca y hacia el rojo a medida que se aleja. Usando este método de velocidad radial, la sincronización del cambio de rojo a azul y viceversa, brinda a los astrónomos información sobre la masa y el ciclo orbital de los planetas que orbitan estrellas distantes.
Este método también se puede utilizar en astronomía para medir las velocidades constantes de estrellas que orbitan galaxias distantes cuando se ven de frente. La luz o las ondas de radio recibidas de las estrellas que se mueven hacia el telescopio cambian a frecuencias más altas, mientras que la luz o las ondas de radio de las estrellas que se alejan del telescopio se desplazan hacia longitudes de onda de frecuencia más baja. La cantidad de desplazamiento indica tanto la velocidad relativa de las estrellas con respecto al observador como la velocidad angular de las estrellas en órbita alrededor de la galaxia.
La predicción meteorológica se ha visto favorecida en gran medida por los mapas de velocidad radial medidos por el radar meteorológico Doppler. Así como la velocidad radial registrada para una galaxia en rotación muestra la rotación por desplazamiento rojo y azul de las ondas de luz, el cambio en la frecuencia de las ondas de radio indica el movimiento de rotación en tormentas como ciclones, huracanes y tornados. Los meteorólogos pueden emitir advertencias de tornados temprano cuando ven el cambio Doppler en sistemas climáticos severos.
El desplazamiento Doppler, o método de velocidad radial, se puede utilizar en cualquier cuerpo o sistema de cuerpos que estén en órbita o que vibren alrededor de un centro común. Tanto los objetos celestes como los patrones meteorológicos muestran un desplazamiento hacia el rojo o hacia el azul, dependiendo de si los objetos se acercan o se alejan del observador en la dirección radial. Albert Einstein describió el límite superior de la velocidad radial como la velocidad de la luz en el vacío, y su teoría especial de la relatividad se aplica a este movimiento radial de línea de visión directa.