파동을 내는 물체와 관측자의 상대 운동 때문에 관측되는 주파수가 달라지는 현상임. 구급차가 다가올 때 사이렌이 높게 들리고 멀어질 때 낮게 들리는 경험이 대표적인 예임. 이때 달라지는 것은 소리의 높낮이이며, 가까워져서 소리가 더 크게 들리는 현상과는 구별해야 함. 파동의 마루가 관측자에게 도착하는 간격으로 생각하면 이해하기 쉬움. 소리를 내는 물체가 다가오면 앞쪽의 파면 간격이 좁아져 더 높은 주파수로 들리고, 멀어지면 간격이 넓어져 더 낮은 주파수로 들림. 소리는 공기 같은 매질 속에서 전달되므로, 음원과 관측자가 매질에 대해 어떻게 움직이는지도 계산에 중요함. 빛과 전파에서도 도플러 편이가 나타남. 천문학에서는 별의 스펙트럼에 나타나는 선의 위치가 짧은 파장 쪽이나 긴 파장 쪽으로 얼마나 옮겨졌는지를 측정함. 이를 통해 별이 관측자 쪽으로 다가오거나 멀어지는 운동을 알아낼 수 있음. 다만 멀리 있는 은하의 우주론적 적색편이는 공간 자체의 팽창과 관련되므로, 모든 적색편이를 단순히 물체의 운동으로 설명해서는 안 됨. 1842년 크리스티안 도플러의 제안은 처음부터 완성된 측정 기술이었던 것은 아님. 열차를 이용한 음향 실험과 정밀한 분광 관측이 이어지면서, 파동의 변화로 눈에 보이지 않는 운동을 알아내는 방법으로 발전했음. 이후 별 주위를 도는 행성이 별을 미세하게 흔드는 현상까지 측정하면서 외계행성 탐색에도 중요한 역할을 하게 되었음. 의료에서는 몸 안으로 보낸 초음파가 움직이는 조직이나 혈구에서 되돌아올 때 생기는 주파수 변화를 이용함. 심장의 움직임을 감지하던 초기 연구는 혈류를 측정하고 혈관의 영상과 함께 살펴보는 장비로 발전했음. 측정값은 초음파 빔과 움직임의 방향이 이루는 각도에 영향을 받으므로, 화면에 나온 수치를 맥락 없이 실제 속도와 같다고 보면 안 됨. 도플러 기상레이더는 비나 눈에서 돌아오는 전파 신호로 강수 입자의 레이더 방향 운동을 파악함. 덕분에 비가 어디에 얼마나 내리는지뿐 아니라 폭풍 내부의 바람 구조도 분석할 수 있게 되었음. 위성항법의 선구자인 트랜싯은 위성이 지나가며 일으키는 전파 주파수의 변화를 이용해 지상의 수신기 위치를 계산했음. 하나의 물리 현상이 천문학·의료·기상·항법을 서로 연결한 사례임.