El astrónomo Stéphane Udry del Observatorio de Ginebra en Suiza y otros utilizaron el telescopio de 3,6 metros del Observatorio Europeo Austral en el Observatorio La Silla en Chile el 24 de abril de 2007. El Buscador de Planetas de Velocidad Radial de Alta Precisión descubrió Gliese 581d. El equipo buscó planetas utilizando el método de velocidad radial, que mide la masa y el tamaño de un planeta en función de cuánto se ve afectada por la gravedad la órbita de su estrella anfitriona.
El equipo de investigación determinó que el límite superior de masa de Gliese 581d es la mitad que el de Gliese 581b, por lo que su masa es como máximo 44 veces la masa de la Tierra. En este caso, Gliese 581d sería tan denso como el material del núcleo interno de Saturno, o incluso tan denso como HD 149026b.