當物體遠離觀察者時，它發出的光波長會延長。對於可見光來說，這意味著顏色會向光譜的紅色端移動，這就是紅移。這與救護車經過時警笛音調降低的多普勒效應相同。

紅移是測量宇宙的關鍵。在1920年代，埃德溫·哈伯測量了遙遠星系的紅移，發現星系距離越遠，其紅移值越大。這種關係，即哈伯定律，是宇宙正在膨脹的主要證據。紅移並非由星系在空間中的運動引起，而是由光在空間中傳播時空間本身的膨脹所造成的。

紅移也被用來研究早期宇宙。宇宙微波背景輻射的紅移約為1100，這意味著它的光線自發射以來已被拉伸了1100倍。最遙遠的星系的紅移大於13，這意味著我們看到的它們是宇宙僅有幾億年歷史時的樣子。

紅移並非唯一的偏移類型。重力紅移發生在光線逃離強重力場時，會損失能量並發生拉伸。 1959 年的龐德-雷布卡實驗證實了這個現象，它是廣義相對論的關鍵預言。