Setiap gerakan menuju atau menjauh dari pengamat yang tidak bergerak disebut kecepatan radial, dan gerakan benda apa pun ditentukan oleh kecepatan dan arah. Untuk menentukan arah objek, bagaimanapun, kerangka acuan pengamat harus diketahui. Dalam ruang tiga dimensi normal, pengamat memiliki kerangka acuan yang tetap, dengan sejumlah objek bergerak menuju atau menjauh dari lokasinya.
Planet-planet di sebagian besar orbit melingkar memiliki kecepatan radial yang kecil terhadap matahari mereka, tetapi bagi pengamat tetap, di luar tata surya, planet seperti itu mengubah gerakannya menuju dan menjauh dari mereka sepanjang orbitnya. Planet ini terlihat memiliki dua kecepatan radial maksimum: satu positif, saat planet bergerak menjauh dari pengamat ke sisi jauh matahari dan satu negatif, saat planet bergerak keluar dari belakang matahari menuju pengamat. Ketika para astronom menggunakan teleskop untuk mengamati sistem benda-benda yang mengorbit, data tersebut dideteksi sebagai energi elektromagnetik. Gelombang energi yang diterima oleh teleskop berbeda, tergantung pada apakah objek yang mengorbit bergerak menuju atau menjauh dari ruang lingkup.
Fakta bahwa gelombang energi dari objek yang bergerak menuju pengamat dikompresi dan tampaknya memiliki frekuensi yang lebih tinggi daripada gelombang dari objek yang bergerak menjauh dari pengamat disebut pergeseran Doppler, yang diusulkan oleh Christian Doppler pada tahun 1842. Misalnya, ketika planet mengorbit bintang yang jauh , mereka menarik mereka menjauh dari pusat gravitasi mereka, menyebabkan mereka bergerak menuju atau menjauh dari pengamat. Sedikit pergerakan bintang menuju atau menjauh menyebabkan spektrumnya, warna pelangi cahayanya, bergeser ke arah biru saat bergerak lebih dekat dan ke arah merah saat bergerak lebih jauh. Dengan menggunakan metode kecepatan radial ini, waktu pergeseran dari merah ke biru dan kembali lagi, memberi para astronom informasi tentang massa dan siklus orbit planet-planet yang mengorbit bintang-bintang jauh.
Metode ini juga dapat digunakan dalam astronomi untuk mengukur kecepatan konstan bintang-bintang yang mengorbit galaksi-galaksi jauh ketika mereka dilihat dari tepi. Gelombang cahaya atau radio yang diterima dari bintang yang bergerak menuju teleskop bergeser ke frekuensi yang lebih tinggi, sedangkan gelombang cahaya atau radio dari bintang yang bergerak menjauh dari teleskop bergeser ke panjang gelombang frekuensi yang lebih rendah. Jumlah pergeseran menunjukkan baik kecepatan relatif bintang-bintang terhadap pengamat dan kecepatan sudut bintang-bintang di orbit sekitar galaksi.
Prakiraan cuaca sangat terbantu oleh peta kecepatan radial yang diukur oleh radar cuaca Doppler. Sama seperti kecepatan radial yang direkam untuk galaksi yang berputar menunjukkan rotasi dengan pergeseran merah dan biru gelombang cahaya, perubahan frekuensi gelombang radio menunjukkan gerakan rotasi dalam badai seperti topan, angin topan, dan tornado. Peramal cuaca dapat mengeluarkan peringatan tornado lebih awal ketika mereka melihat pergeseran Doppler dalam sistem cuaca buruk.
Pergeseran Doppler, atau metode kecepatan radial, dapat digunakan pada setiap benda atau sistem benda yang berada di orbit, atau bergetar di sekitar pusat yang sama. Baik benda langit maupun pola cuaca menunjukkan pergeseran merah atau pergeseran biru, tergantung pada apakah objek mendekat atau menjauh dari pengamat dalam arah radial. Batas atas kecepatan radial dijelaskan oleh Albert Einstein sebagai kecepatan cahaya dalam ruang hampa, dan teori relativitas khususnya berlaku untuk garis pandang langsung, gerakan radial ini.