Una estrella con un planeta orbitando no permanece inmóvil. El planeta ejerce una atracción gravitatoria sobre la estrella, provocando que oscile ligeramente. Esta oscilación modifica el movimiento de la estrella, acercándola o alejándola de la Tierra, lo que a su vez altera las longitudes de onda de sus líneas espectrales. Cuando la estrella se acerca a nosotros, su luz se torna azul. Cuando se aleja, se torna roja. La medición de este cambio permite identificar el planeta.

Este es el método de velocidad radial, y fue la primera técnica para detectar un exoplaneta alrededor de una estrella similar al Sol. En 1995, Michel Mayor y Didier Queloz lo utilizaron para encontrar 51 Pegasi b, un Júpiter caliente que orbita su estrella en cuatro días. Este descubrimiento impulsó el campo de la ciencia de los exoplanetas.

Este método funciona mejor con planetas masivos cercanos a sus estrellas, ya que provocan las mayores oscilaciones. Un planeta con la masa de Júpiter podría hacer que su estrella se mueva a 12 metros por segundo. La Tierra, en cambio, provoca que el Sol se mueva a tan solo 9 centímetros por segundo. Detectar un planeta gemelo de la Tierra requiere instrumentos sensibles a ese pequeño desplazamiento, razón por la cual el método aún busca alcanzar los límites de la precisión.

La velocidad radial complementa el método de tránsito. Los tránsitos nos indican el tamaño de un planeta. La velocidad radial nos indica su masa. Juntas, proporcionan la densidad, que a su vez sugiere su composición. Esta combinación es la que utilizan los astrónomos para determinar si un planeta es rocoso, gaseoso o de composición mixta.