La fréquence ou longueur d'onde du son ou de la lumière varie en fonction de la vitesse de la source émettrice par rapport à un observateur. Un exemple concret est le bruit d'une voiture roulant à grande vitesse. Prenons le cas d'une voiture venant par votre gauche, sur une autoroute. Lorsqu'elle s'approche, vous entendez son vrombissement aigü, puis lorsqu'elle vous dépasse, le bruit devient plus grave.C'est ce fameux effet. Pour une étoile, le principe est le même: les ondes lumineuses de haute fréquence ont des longueurs d'onde plus courtes et sont plus bleues tandis que celles de basse fréquence ont des longueurs d'onde plus longues et sont plus rouges. Donc, si la source se déplace dans votre direction, la lumière de l'étoile bleuit, tandis que si elle s'éloigne, la fréquence s'abaisse et l'étoile rougit (c'est ce qui a permis de constater que toutes les étoiles s'éloignent de nous et donc, d'imaginer un "explosion" de l'univers: le big bang).

Le spectre d'émission d'une étoile présente des raies d'absorption: un spectre d'émission peut être décrit comme une bande de couleurs, un "arc-en-ciel sur papier". Les raies d'absorption sont des bandes sombres sur ce spectre qui correspondent à différents éléments chimiques. En effet, un de ces spectres est la signature de tous les éléments présents dans l'astre (à chacun correspond une longueur d'onde donc une couleur). Ces raies sombres sont donc les éléments prédominants de l'étoile, et lorsque l'étoile se déplace en avant ou en arrière, l'effet Doppler fait avancer ou reculer ces raies dans le spectre.

Cet effet permet donc, en observant les spectre des étoiles binaires et les décalages des raies lorsqu'lles parcourent leurs orbites de donner leur vitesses et leurs masses relatives, la durée et la période de leur orbite, puis d'en déduire la circonférence et le rayon de l'orbite.