Când un obiect se îndepărtează de un observator, lumina pe care o emite este întinsă la lungimi de undă mai mari. Pentru lumina vizibilă, aceasta înseamnă că culoarea se deplasează spre capătul roșu al spectrului. Aceasta este deplasarea spre roșu. Este același efect ca deplasarea Doppler pe care o auziți atunci când trece o ambulanță și sirena acesteia scade în intensitate.

Deplasarea spre roșu este cheia măsurării universului. În anii 1920, Edwin Hubble a măsurat deplasările spre roșu ale galaxiilor îndepărtate și a descoperit că, cu cât o galaxie este mai îndepărtată, cu atât deplasarea sa spre roșu este mai mare. Această relație, legea lui Hubble, este principala dovadă că universul se extinde. Deplasarea spre roșu nu este cauzată de galaxiile care se mișcă prin spațiu. Este cauzată de extinderea spațiului însuși pe măsură ce lumina călătorește prin el.

Deplasarea spre roșu este utilizată și pentru studierea universului timpuriu. Radiația cosmică de fond are o deplasare spre roșu de aproximativ 1.100, ceea ce înseamnă că lumina sa a fost întinsă cu un factor de 1.100 de când a fost emisă. Cele mai îndepărtate galaxii au deplasări spre roșu mai mari de 13, ceea ce înseamnă că le vedem așa cum erau când universul avea doar câteva sute de milioane de ani.

Deplasarea spre roșu nu este singurul tip de deplasare. Deplasarea gravitațională spre roșu are loc atunci când lumina scapă de un câmp gravitațional puternic, pierzând energie și întinzându-se. Aceasta a fost confirmată de experimentul Pound-Rebka din 1959 și este o predicție cheie a relativității generale.