Gammastrahlen sind die elektromagnetische Strahlung mit der höchsten Energie und der kleinsten Wellenlänge. Sie werden als Wellen mit einer Periode (Wellenlänge) von weniger als 1 Pikometer, also 0.001 Nanometer, definiert. Zum Vergleich: Der Durchmesser eines Wasserstoffatoms beträgt 50 Pikometer. Daher ist die Wellenlänge der Gammastrahlung per Definition subatomar. Ihre Energie liegt in der Größenordnung von 1.25 MeV (Mega-Elektronen-Volt) oder darüber. Gammastrahlen werden bei sehr energiereichen Ereignissen wie Supernovae, in und um Körper exotischer Materie wie Neutronensternen, Pulsaren und Schwarzen Löchern erzeugt, oder auf weniger spektakuläre Weise, wenn radioaktive Kerne im interstellaren Medium zerfallen.
Die Wellenlänge von Gammastrahlen kann bis auf 10-15 oder 0.000001 Nanometer um den klassischen Radius eines Elektrons sinken. Mit abnehmender Wellenlänge nimmt die entsprechende Energie zu. Aufgrund ihrer enormen Energie sind Gammastrahlen extrem schwer zu stoppen. Um etwas vor Gammastrahlen abzuschirmen, sind dicke Schilde (1m+) aus Substanzen mit möglichst hoher Ordnungszahl erforderlich. Blei ist eine beliebte Substanz. Es ist bekannt, dass Gammastrahlen durch 3 Meter Beton wandern. Aufgrund ihrer hohen Energien und Durchdringungsfähigkeit sind Gammastrahlen biologisch extrem gefährlich – sie können lebende Zellen bei Kontakt töten. Der gefährlichste Anfangseffekt einer nuklearen Explosion ist der Gammablitz.
Gammastrahlen wurden erstmals 1900 von Paul Ulrich Villard beobachtet, als er die Radioaktivität von Uran untersuchte. Anfangs wurde vermutet, dass Gammastrahlen Teilchen sind, wie ihre strahlenden Verwandten Alphateilchen und Betateilchen, aber das Strahlen durch einen Kristall bewies, dass es sich tatsächlich um elektromagnetische Wellen handelte. Gammastrahlen sind wie Alphateilchen und Betateilchen ionisierende Strahlung, obwohl sie (im Gegensatz zu Betateilchen) selbst nicht geladen sind. Ionisierende Strahlung ist stark genug, um Elektronen von den auftreffenden Atomen zu entfernen, sie als Ladung abzugeben und das darin befindliche Material zu stören.
Eines der erstaunlichsten Phänomene in Bezug auf Gammastrahlen ist das des Gamma Ray Burst (GRB). Dies sind massive Gammastrahlenexplosionen, die im Weltraum auftreten. Sie sind die energiereichste Aktivität im Universum seit dem Urknall. (Energiereicher als Supernovae.) In 10 Sekunden setzt ein großer Gammastrahlenausbruch mehr Energie frei, als die Sonne während ihrer 10-Milliarden-Jahres-Lebenszeit freisetzt. Verschiedene wurden konstruiert, um verschiedene Arten von Gammastrahlenausbrüchen zu erklären. Die vorherrschende Theorie ist die eines Kollapsars. Ein Kollapsar ist ein besonderer supermassiver Stern, der hochenergetische relativistische Jets von seinen Polen ausstößt, während er die letzte Kollapsstufe durchläuft. Wir beobachten diese als GRBs. Eine andere Art von GRB wird wahrscheinlich durch entartete Doppelsterne erklärt. Extrem dichte Neutronensterne können gelegentlich kollidieren und beim Fusionsprozess enorme Mengen an Gammastrahlen freisetzen.
Gammastrahlen werden auch in der Medizin verwendet, um bösartige Zellen wie Krebszellen abzutöten. Dieses Verfahren wird als Gamma-Messer-Chirurgie bezeichnet.