一颗拥有行星的恒星并非静止不动。行星会引力牵引恒星，使其发生轻微的摆动。这种摆动会改变恒星朝向或远离地球的运动方向，从而改变其光谱线的波长。当恒星朝向我们运动时，其光线会向蓝移；当它远离我们运动时，光线会向红移。测量这种波长偏移即可探测到这颗行星。

这就是径向速度法，它是第一个探测类太阳恒星周围系外行星的技术。1995年，米歇尔·马约尔和迪迪埃·奎洛兹利用这种方法发现了飞马座51b，这是一颗热木星，绕其恒星运行周期为四天。这一发现开启了系外行星科学领域。

这种方法对靠近恒星的大质量行星最为有效，因为它们会引起最大的恒星摆动。一颗木星质量的行星可能会使其恒星以每秒12米的速度运动。而地球只会使太阳以每秒9厘米的速度运动。探测地球的“孪生兄弟”需要对这种微小的位移极其敏感的仪器，这也是为什么这种方法的精度仍在不断提高的原因。

径向速度法是对凌日法的补充。凌日法告诉我们行星的大小，径向速度法告诉我们行星的质量。两者结合起来可以得出密度，密度又可以暗示行星的组成成分。天文学家正是通过这种结合来确定行星是岩质行星、气态行星还是介于两者之间的行星。