C'est un phénomène qui se produit lorsqu'une source de vibration (sons, ultrasons) ou de rayonnements électromagnétiques (lumière, ondes radio...) de fréquence donnée est en mouvement par rapport à un observateur et qui se traduit pour celui-ci par une modification de la fréquence perçue. C'est ainsi que le son de l'avertisseur d'une locomotive ou d'une automobile, paraît plus aigu quand celle-ci s'approche, plus grave quand elle s'éloigne, ou encore que la lumière reçue d'une source qui s'éloigne est décalée vers le rouge.

Un exemple simple : la sirène des pompiers qui devient plus grave lorsque le véhicule s'éloigne. C'est par rapport à l'observateur que le son émis «paraît» plus grave, et cela vient de la différence de vitesse de déplacement entre la source d'émission et l'observateur. D'abord, c'est quoi une sirène ? C'est une émission continue d'ondes d'une certaine fréquence.

Prenons un premier cas : source et observateur fixes. La source émet des signaux accoustiques, c'est-à-dire des ondes de période T constante (donc de fréquence constante N=1/T). Donc l'intervalle séparant la réception par l'observateur de deux signaux successifs est constante et est égale à la période T.

Prenons le cas d'une source mobile et d'un observateur fixe. Si la source se rapproche, l'intervalle de temps entre la réception de deux signaux consécutifs est plus petit que la période T, donc la fréquence est plus grande et le son paraît plus aigue. Et inversement, si la source s'éloigne, l'intervalle est plus grand donc la période observée est plus grande, la fréquence est plus petite et le son paraît plus grave.

Le même phénomène explique le décalage des raies spectrales dans le spectre d'emission d'un corps céleste (effet Doppler). Ce ne sont plus des longueurs d'ondes accoustiques mais des longueurs d'ondes lumineuses (ondes accociées aux photons) émises par le corps en mouvement, on observe alors un décalage des raies spectrales vers le rouge (éloignement, périodes plus grandes) ou vers le bleu (rapprochement, périodes plus courtes). Ce décalage est donc fonction de la vitesse relative d'éloignement, ce qui permet aux astro-physiciens de déterminer la position, la vitesse et la composition d'un astre.

A l'échelle atomique (model microscopique), l'effet Doppler-Fizeau est responsable de l'élargissement thermique des raies spectrales : les atomes qui émettent les rayonnements sont en effet soumis à l'agitation thermique et leur vitesse — distribuées selon une loi de Maxwell — induisent un étalement des fréquences mesurées.