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根据多普勒原理，可以利用运动目标造成的回波信号频移来测量目标的速度。在测量血流速度时声波发射源与接收器均为超声探头自身。在检测时探头固定不动，超声波向着流动中的红细胞集合体传播，在红细胞上反射的声波再由探头接收。红细胞相对于探头的移动会使声波产生多普勒频移。
超声多普勒诊断设备可以分为连续波式和脉冲式。连续波式超声多普勒成像仪的探头中有两个晶体，一个用于连续发射超声波束，另一个用于连续接收反射回波。优点是灵敏度高、速度分辨能力强，波束内运动的任何物体的回波信号都能探得，受深度和血流速度的限制较小。但波束通过的路径上所有运动目标产生的多普勒信号会产生混叠，无法辨识距离（深度）的信息。脉冲多普勒是医用测距式超声血流量计中最为通用，发射和接收信号由探头中的同一块晶体完成。这类设备以间歇方式向体内发射超声脉冲，发射后接收回波，接收到一定深度的回波后再发射下一个脉冲，如同B型扫查方式。
彩色多普勒血流成像能显示整个截面上的血流速度的分布，可以测量血流束的面积、轮廓、长度、宽度，能更直观地反映结构异常与血流动力学异常的关系等。彩色影像同步叠加在B型的灰度影像上，两种成像方式共用一个高速电子扫描探头。以红、绿、蓝为基本颜色显示血流的方向、速度及湍流程度。血流的方向用红和蓝表示，朝向探头运动为正向，用红色标识；远离探头运动为反向，用蓝色表示；湍流用绿色。绿色的混合比率与血流的湍动程度成正比，正向湍流的颜色接近黄色，而反向湍流的颜色接近深青色。血流的层流越多，所显示的红色或蓝色越纯正。血流的速度与红蓝两种彩色的亮度成正比，正向速度越高，红色的亮度越亮；同样反向速度越高，蓝色的亮度越亮。由于血流在声束方向上的速度分量决定了血流的显示颜色，同一流向的血流处在与声束不同角度时，血流的颜色可能有所不同。
在普通灰阶图像的回波信号中也包含着极为微弱的血液流动的振幅信息。在全数字化编码设备中，由于信噪比的提高，可在灰阶B超的显示状态下，实时直接观察到多数大、中血管（包括20cm左右深度）内的血液流动，称为灰阶血流图。
多普勒能量图利用回波信号强度来表征血流存在，利用探头所接收的运动血流与静止组织背向散射信号在频率上的差异，滤除静态及慢动组织的强回波，突出声路径上血流的回波信号，并将其位置和强度表现B型图像上。功率成像没有血流方向的信息，通常用渐变的颜色表示功率的大小。例如，用暗红、亮红到黄色的方式显示由弱到强的多普勒功率。一般认为彩色多普勒能量图虽不能表示血流的方向和速度，但有很高的空间分辨力，对小血管的低速血流很敏感，能够很好地克服彩色多普勒血流成像的一些缺点。
多普勒组织成像是一种无创性室壁心肌运动分析技术。其原理是将传统彩色多普勒血流仪的滤波系统进行适当调整，用低通滤波器滤去高速运动的血流信息，并提取来自心室壁运动的低频高幅值多普勒频移信息，通过自相关处理技术，对心肌运动的多普勒信息进行彩色编码，以M型或二维显示的形式实时显示在荧光屏上，能敏感、直观地反映室壁运动状态，反映心肌各层面的运动速度。
利用人体回波信号的二次谐波成分构成人体器官的图像，称为谐波成像。该方法在基频范围内消除了引起噪音的低频成分，使器官组织的边缘成像更清晰，从而提高诊断能力。
对比谐波成像指用直径小于10µm的微泡超声造影剂进行谐波成像。微泡有良好的散射性、能产生丰富的谐波以及受声压作用下具有破裂效应等三个重要特性。血细胞的散射回声强度比软组织低1 000～10 000倍，在二维图表现为“无回声”，对于心腔内内膜或大血管的边界通常容易识别。但由于混响存在和分辨力的限制，有时心内膜显示模糊，无法显示小血管。由于在血液中的造影剂回声比心壁更均匀，而且造影剂是随血液流动的，不易产生伪像，可以有效观察室壁运动。结合心肌灌注，应用多帧触发技术，检查心肌灌注质量，对缺血和心肌存活性的检测更为敏感。
组织谐波成像技术利用超宽频探头，接收组织通过非线性产生的高频信号及组织细胞的谐波信号，对多频移信号进行实时平均处理，增强较深部组织的回波信号。该技术能增强心肌和心内膜显示，增强细微病变的显现力，增强肝内血流信号帮助鉴别肝内血管，了解肝内细小血管病变。
超声束在三维扫查空间中摆动，可直接得到三维体数据。三维超声成像技术可以直接显示脏器的三维解剖结构；对图像任意断层，能从传统成像方式无法实现的角度（例如在与皮肤平行的平面上）进行观察；可精确测量生理参数，对病变位置精确定位。传统的三维超声成像是将一维阵列头和摆动机构封装在一起，操作者将该探头放在被探查部位，系统自动采集三维数据。随着二维面阵换能器制作工艺的提高，振元数已超过60 000个，使得二维阵列探头在三维超声成像中的应用日益广泛。
三维超声成像较多用于鉴别早期胎儿是否存在畸形以及检查各个孕期胎儿的生长发育情况；在心血管疾病诊断中，可用于多种心脏疾病以及血管内疾病的检查。随着实时三维超声成像的研究成功，三维超声有望在心脏疾病检查中发挥更大的作用。