Lorsqu'un objet s'éloigne d'un observateur, la lumière qu'il émet s'étire vers les grandes longueurs d'onde. Pour la lumière visible, cela signifie que sa couleur se déplace vers le rouge. C'est le décalage vers le rouge. C'est le même phénomène que l'effet Doppler que l'on perçoit lorsqu'une ambulance passe et que sa sirène devient moins aiguë.

Le décalage vers le rouge est essentiel pour mesurer l'univers. Dans les années 1920, Edwin Hubble a mesuré le décalage vers le rouge de galaxies lointaines et a découvert que plus une galaxie est éloignée, plus son décalage vers le rouge est important. Cette relation, la loi de Hubble, est la principale preuve de l'expansion de l'univers. Le décalage vers le rouge n'est pas dû au mouvement des galaxies dans l'espace, mais à l'étirement de l'espace lui-même lorsque la lumière le traverse.

Le décalage vers le rouge est également utilisé pour étudier l'Univers primordial. Le fond diffus cosmologique présente un décalage vers le rouge d'environ 1 100, ce qui signifie que sa lumière a été étirée d'un facteur 1 100 depuis son émission. Les galaxies les plus lointaines ont des décalages vers le rouge supérieurs à 13, ce qui signifie que nous les observons telles qu'elles étaient lorsque l'Univers n'avait que quelques centaines de millions d'années.

Le décalage vers le rouge n'est pas le seul type de décalage. Le décalage gravitationnel vers le rouge se produit lorsque la lumière s'échappe d'un champ gravitationnel intense, perdant de l'énergie et s'étirant. Il a été confirmé par l'expérience de Pound-Rebka en 1959 et constitue une prédiction fondamentale de la relativité générale.