Khi một vật thể di chuyển ra xa người quan sát, ánh sáng mà nó phát ra sẽ bị kéo dài thành các bước sóng dài hơn. Đối với ánh sáng nhìn thấy, điều đó có nghĩa là màu sắc dịch chuyển về phía đầu đỏ của quang phổ. Đó chính là hiện tượng dịch chuyển đỏ. Nó giống với hiệu ứng Doppler mà bạn nghe thấy khi xe cứu thương đi qua và tiếng còi của nó trầm xuống.

Hiện tượng dịch chuyển đỏ là chìa khóa để đo lường vũ trụ. Vào những năm 1920, Edwin Hubble đã đo độ dịch chuyển đỏ của các thiên hà xa xôi và phát hiện ra rằng thiên hà càng ở xa thì độ dịch chuyển đỏ càng lớn. Mối quan hệ đó, định luật Hubble, là bằng chứng chính cho thấy vũ trụ đang giãn nở. Hiện tượng dịch chuyển đỏ không phải do các thiên hà di chuyển trong không gian gây ra, mà là do chính không gian giãn ra khi ánh sáng truyền qua nó.

Hiện tượng dịch chuyển đỏ cũng được sử dụng để nghiên cứu vũ trụ sơ khai. Bức xạ nền vi sóng vũ trụ có độ dịch chuyển đỏ khoảng 1.100, nghĩa là ánh sáng của nó đã bị kéo giãn gấp 1.100 lần kể từ khi được phát ra. Các thiên hà xa nhất có độ dịch chuyển đỏ lớn hơn 13, nghĩa là chúng ta nhìn thấy chúng như chúng đã tồn tại khi vũ trụ chỉ mới vài trăm triệu năm tuổi.

Hiện tượng dịch chuyển đỏ không phải là loại dịch chuyển duy nhất. Dịch chuyển đỏ hấp dẫn xảy ra khi ánh sáng thoát khỏi trường hấp dẫn mạnh, mất năng lượng và bị kéo giãn. Hiện tượng này đã được xác nhận bởi thí nghiệm Pound-Rebka năm 1959 và là một dự đoán quan trọng của thuyết tương đối rộng.