Uma estrela com um planeta em órbita não está parada. O planeta exerce força gravítica sobre a estrela, fazendo-a oscilar ligeiramente. Esta oscilação altera o movimento da estrela em relação à Terra, o que modifica o comprimento de onda das suas linhas espectrais. Quando a estrela se move na nossa direção, a sua luz torna-se mais azul. Quando se afasta, fica mais vermelha. Medir esta mudança revela a presença do planeta.

Este é o método da velocidade radial, e foi a primeira técnica a detetar um exoplaneta a orbitar uma estrela semelhante ao Sol. Em 1995, Michel Mayor e Didier Queloz utilizaram-no para encontrar 51 Pegasi b, um Júpiter quente que orbitava a sua estrela em quatro dias. A descoberta impulsionou o campo da ciência dos exoplanetas.

O método funciona melhor para planetas massivos próximos das suas estrelas, porque induzem as maiores oscilações. Um planeta com a massa de Júpiter pode fazer com que a sua estrela se mova a 12 metros por segundo. A Terra faz com que o Sol se mova a apenas 9 centímetros por segundo. Detetar um planeta gémeo da Terra requer instrumentos sensíveis a esta pequena variação, e é por isso que o método ainda procura atingir os limites de precisão.

A velocidade radial complementa o método de trânsito. Os trânsitos informam-nos o tamanho de um planeta. A velocidade radial informa-nos a sua massa. Juntos, fornecem a densidade, que indica a composição. A combinação destes dois métodos permite aos astrónomos determinar se um planeta é rochoso, gasoso ou algo intermédio.