当雷达发射机和接收机在同一位置时，若目标相对于雷达的径向运动速度为vr, 则发射波和回波间的频率差（也叫多普勒频偏）为f=2vr/λ。其中λ是雷达发射波的波长,因此,测定f即可求出速度vr。降水粒子的多普勒速度既受到降水云中气流（包括湍流）的影响，也受到降水粒子自身降落速度的影响，因此在合理的假设下，可以用其推得大气水平风场、铅直气流速度、大气湍流和降水滴谱等信息。在晴空时，还可以借助晴空回波（见气象雷达回波）或撒放的金属箔的回波来取得大气流场的信息。
早先使用的多普勒雷达，天线是铅直指向的，它测量得到的多普勒速度是降水粒子相对空气的下落速度和铅直气流速度之和。在各种假设之下，根据水滴下落末速度和水滴直径间的已知关系，可以通过铅直指向探测，取得雨滴谱和气流铅直速度的资料。后来进一步发展,将雷达天线的仰角固定在一定值上作方位扫描,这样可以得到一定仰角下目标径向速度随方位的分布。相应的显示方式叫速度－方位显示 (VAD)。由此所得资料，通过数学运算可以推得雷达站上空各高度上的风向、风速和水平散度。这种方法可以快速地测量几公里到几十公里范围内风随高度的分布。风速的测定误差约为 0.5米/秒。如果将雷达天线的方位固定,不断地改变仰角,由这种扫描方式得到的距离－高度－速度显示(RHV),可以给出扫描方位上风速分量的铅直剖面（图2）。在天线近于水平的情况下作方位扫描时，相应的显示方式为平面切变显示(PSI),它可显示出强风切变和涡旋存在的区域。对监测龙卷（见彩图）、冰雹等灾害性天气很有用处。利用双多普勒雷达或三多普勒雷达的联合探测试验，还能够获得降水系统的三维运动的详细结构。 在多普勒雷达的发展和应用中存在的重要问题之一是多普勒雷达的作用距离和速度最大可测值之间的矛盾。因此，只能根据实际需要，在速度最大可测值和最大作用距离之间采取某种折衷方案。尽管如此，由于多普勒雷达能够确定降水系统的三维运动的详细结构和比较有效的探测龙卷等强天气，它正日益广泛地被应用于许多科学研究工作中。