La méthode par laquelle le plus d'exoplanètes ont été découvertes est la mesure des variations de la vitesse d'une étoile, grâce à l'effet Doppler-Fizeau. De la même manière qu'une planète est attirée par une étoile, l'étoile l'est par la planète. Elles gravitent donc toutes les deux autour d'un même centre de gravité avec une même période orbitale. Mais, vu la masse bien supérieure de l'étoile, la vitesse résultante pour cette dernière est beaucoup plus petite. Par exemple, la vitesse imprimée au soleil par l'influence de la Terre est d’à peine 0,4 km/h.

Les mouvements d'une étoile sont donc influencés par la présence d'une planète orbitant autour, ce qui provoque un décalage périodique de sa position, une oscillation. C'est cette oscillation qui est mesurée par la méthode des vitesses radiales. En fonction de ce décalage, il est possible d’estimer l'orbite de la planète ainsi que de déduire une valeur minimale de sa masse. Cette méthode est d'autant plus performante que la planète a une masse élevée et est proche de son étoile, raison pour laquelle la majorité des planètes découvertes jusqu'à aujourd'hui sont des géantes gazeuses présentant des périodes orbitales relativement courtes. Lire aussi l'article Drame exoplanétaire: une planète s'effondre sur son étoile.