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  假設觀察者(Observer)與波源(Source)是以一相對速度formula_1彼此遠離,並從波源的參考系來考慮這個問題。  當某一波前抵達觀察者處,則下一個最接近的波前距離觀察者有formula_2(其中formula_3是波長、formula_4是波源所發出的原始光波頻率、formula_5是光速)。由於波前移動速度(即光波移動速度)為formula_5而觀察者遠離速度為formula_1,觀察者接收一個完整的波(或經歷兩個波前)需歷時:  當物體以相對高速移動時,需考慮相對論的時間膨脹效應,故觀察者測量到的時間會是:  其中formula_10,所以觀察者測量到的頻率是:

  

  若觀察者與波源正以速度formula_1彼此遠離,則觀察到的頻率formula_13會與波源發出的頻率formula_4相異,關係式可寫作:  其中formula_5是真空中光速。  相應的波長關係式則可寫作:  所導致的紅移formula_18可寫作  在非相對論極限下,亦即當formula_20,近似式可寫作:  注:此段落所假設的是觀察者和波源互相「遠離」。若他們是互相「接近」,則formula_1需設為負值。

  若從觀察者參考系來看,波源以速度formula_1以及相對於從觀察者到波源方向呈一個角度formula_24(光從參波源發射到觀察者方向與波源速度的夾角)遠離,則頻率變化為  其中formula_26  然而,若角度formula_24是在波源參考系量測到的(光從參波源發射到觀察者方向於觀察者速度的夾角),則表示式為  在非相對論極限下:
相對論性多普勒效應描述了光因為波源與觀察者的相對運動關係(一如尋常版的多普勒效應)而有的頻率(以及波長)上的變化,而在這裡又多考慮了狹義相對論帶來的效應。