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Soit une source émettant une lumière de fréquence f et un observateur situé en un point O fixe. Si la source est fixe, l'observateur reçoit la lumière émise avec la même fréquence f. Si la source s'éloigne de l'observateur, la fréquence reçue est inférieure à f. Si la source s'en approche, la fréquence reçue est supérieure à f.
Ainsi pour une source qui s'éloigne en émettant de la lumière visible, les raies caractéristiques d'un élément connu (par exemple le calcium) seront décalées avec le spectre vers les courtes fréquences (le rouge) par rapport aux raies d'absorption de ce même élément mesurées sur Terre : c'est ce qu'on observe pour la grande majorité des galaxies, dont on peut alors mesurer directement le « décalage vers le rouge » ou « redshift », z, avec la relation
où λ est la longueur d'onde, reliée à la fréquence f par la relation : λ = c / f avec c la vitesse de la lumière (c = 3.108 m.s–1). λobs est la longueur d'onde observée pour la galaxie et λo est la longueur d'onde « vraie », c'est-à-dire celle mesurée sur Terre pour l'élément en question.
La vitesse radiale v d'une galaxie est alors donnée par la relation v = c x z.
