在1975年由D.J.维因兰德和T.W.亨施与他们各自的合作者独立提出，并于1978年由维因兰德小组首次在实验上应用于冷却镁离子。1982年，W.D.菲利普斯等人将之应用于减速中性钠原子束。

多普勒冷却使用对射的激光束照射原子，激光的频率略低于原子某条强吸收线的共振频率。静止不动的原子对红失谐的激光吸收很弱，原子的状态几乎不会发生改变。而当原子以一定速度对着某一束激光运动时，由于存在多普勒效应，它所“感受”到的激光频率会更接近原子吸收线的共振频率，因此更容易吸收，而对射的另一束激光会更远离共振频率，不被吸收。吸收光子而到了激发态的原子自发辐射光子带来的动量反冲分布在空间前后对称，多次平均约为零。因而在多次吸收/辐射的散射过程中，原子会吸收更多的从前方而来的光子，受到与原子运动方向相反的反冲动量而平均被减速。原子的质心运动的能量得到降低，这一过程导致系统温度降低，因为原子系统的平均动能在宏观上体现为体系的温度。

多普勒冷却技术不能将原子团的温度冷却至绝对零度，它所能达到的温度下限受到光子吸收谱线的特征宽度，也就是自发辐射的线宽所决定。一般情况下，即所谓的宽线极限，即谱线的自发辐射宽度大于单光子反冲动量对应的原子动能时，当原子多普勒效应带来的激光频率变化小于自发辐射线宽时，原子对前后对射激光的吸收趋于相等，多普勒冷却机理失效。

多普勒冷却的应用之一是“光学黏团”技术。三对相互垂直的激光束从空间不同方向上照射原子，处于激光交汇处的原子在光子的散射作用下不断被减速，感受到被陷俘在如同黏稠的光子海洋的激光场中做布朗运动。这一技术通常可以将原子系统的温度冷却至几十至几百微开尔文，是获得超冷原子以及量子简并气体的重要步骤。此外，因为冷却后原子具有更窄的多普勒光谱，多普勒冷却了的原子也被广泛应用在高精度的光谱学和测量学领域。

早期的几个“光学黏团”实验所得到的冷却温度都与多普勒冷却理论极限相吻合，然而后续的有一些更精确的定量测量实验却得到了远低于这一极限的冷却温度，被称为亚多普勒冷却。这是因为实际所使用的原子都具有更加复杂的能级结构，且在激光交汇处，激光的偏振状态也随空间位置而异，这就为更多样的冷却过程提供了可能。多种物理机制，如偏振梯度冷却、西西弗斯冷却等都可以得到低于多普勒冷却极限的冷却温度，达到与单个自发辐射光子反冲动量相对应的动能极限。这时对应的原子在吸收光子至激发态后，同样自发辐射出一个光子。尽管自发辐射光子的反冲动量平均值可趋近于零，但是它们统计的方差，也就是多次辐射的平均效果使得原子获得不为零的动能展宽。