一顆擁有行星的恆星並非靜止不動。行星會引力牽引恆星，使其發生輕微的擺動。這種擺動會改變恆星朝向或遠離地球的運動方向，從而改變其光譜線的波長。當恆星朝向我們運動時，其光線會向藍移；當它遠離我們運動時，光線會向紅移。測量這種波長偏移即可偵測到這顆行星。

這就是徑向速度法，它是第一個探測類太陽恆星周圍系外行星的技術。 1995年，米歇爾·馬約爾和迪迪埃·奎洛茲利用這種方法發現了飛馬座51b，這是一顆熱木星，繞其恆星運行週期為四天。這項發現開啟了系外行星科學領域。

這種方法對靠近恆星的大質量行星最為有效，因為它們會造成最大的恆星擺動。一顆木星質量的行星可能會使其恆星以每秒12公尺的速度移動。而地球只會使太陽以每秒9公分的速度移動。探測地球的「孿生兄弟」需要對這種微小的位移極其敏感的儀器，這也是為什麼這種方法的精度仍在不斷提高的原因。

徑向速度法是凌日法的補充。凌日法告訴我們行星的大小，徑向速度法告訴我們行星的質量。兩者結合起來可以得到密度，密度又可以暗示行星的組成成分。天文學家正是透過這種結合來確定行星是岩質行星、氣態行星還是介於兩者之間的行星。