Une étoile autour de laquelle orbite une planète n'est pas immobile. La planète exerce une attraction gravitationnelle sur l'étoile, provoquant une légère oscillation. Cette oscillation modifie le mouvement de l'étoile par rapport à la Terre, ce qui décale les longueurs d'onde de ses raies spectrales. Lorsque l'étoile se rapproche de nous, sa lumière vire au bleu. Lorsqu'elle s'éloigne, elle vire au rouge. La mesure de ce décalage permet de détecter la présence de la planète.

Il s'agit de la méthode des vitesses radiales, et c'est la première technique utilisée pour détecter une exoplanète autour d'une étoile semblable au Soleil. En 1995, Michel Mayor et Didier Queloz l'ont employée pour découvrir 51 Pegasi b, une exoplanète de type Jupiter chaud orbitant autour de son étoile en quatre jours. Cette découverte a donné naissance à l'exoplanétologie.

Cette méthode est particulièrement efficace pour les planètes massives proches de leur étoile, car elles induisent les plus grandes oscillations. Une planète de la masse de Jupiter pourrait faire bouger son étoile de 12 mètres par seconde. La Terre, quant à elle, fait bouger le Soleil de seulement 9 centimètres par seconde. Détecter une planète jumelle de la Terre exige des instruments sensibles à ce très faible déplacement, ce qui explique pourquoi la méthode repousse encore les limites de la précision.

La vitesse radiale complète la méthode des transits. Les transits nous renseignent sur la taille d'une planète, tandis que la vitesse radiale nous renseigne sur sa masse. Ensemble, ces deux méthodes nous donnent la densité, qui nous donne une indication sur sa composition. C'est grâce à cette combinaison que les astronomes déterminent si une planète est rocheuse, gazeuse ou d'une nature intermédiaire.