物体が観測者から遠ざかると、その物体が発する光はより長い波長へと引き伸ばされます。可視光の場合、これはスペクトルの赤色側に色がシフトすることを意味します。これが赤方偏移です。救急車が通過する際にサイレンの音程が低くなるドップラー効果と同じ原理です。

赤方偏移は宇宙を測定する鍵となる。1920年代、エドウィン・ハッブルは遠方の銀河の赤方偏移を測定し、銀河が遠ければ遠いほど赤方偏移が大きいことを発見した。この関係、すなわちハッブルの法則は、宇宙が膨張していることを示す主要な証拠である。赤方偏移は銀河が宇宙空間を移動することによって生じるのではなく、光が宇宙空間を通過する際に空間自体が膨張することによって生じるのである。

赤方偏移は、初期宇宙の研究にも用いられます。宇宙マイクロ波背景放射の赤方偏移は約1100であり、これは放射された光が放出されてから1100倍に引き伸ばされたことを意味します。最も遠方の銀河の赤方偏移は13を超えており、これは宇宙がわずか数億歳だった頃の姿を見ていることを意味します。

赤方偏移は、唯一の偏移現象ではありません。重力赤方偏移は、光が強い重力場から脱出する際にエネルギーを失い、引き伸ばされることで発生します。これは1959年のパウンド＝レブカ実験によって確認され、一般相対性理論の重要な予測の一つとなっています。