Gama-zrake su oblik elektromagnetskog zračenja s najviše energije i najmanjom valnom duljinom. Definirani su kao valovi s periodom (valnom duljinom) manjim od 1 pikometar, što je 0.001 nanometar. Za usporedbu, promjer atoma vodika je 50 pikometara. Stoga je valna duljina gama zračenja po definiciji subatomska. Njihova energija je reda veličine 1.25 MeV (mega-elektron-volti) ili više. Gama zrake nastaju u vrlo energetskim događajima kao što su supernove, u i oko tijela egzotične tvari poput neutronskih zvijezda, pulsara i crnih rupa, ili na manje spektakularan način kada se radioaktivne jezgre razbiju u međuzvjezdanom mediju.
Valna duljina gama zraka može pasti čak 10-15 ili 0.000001 nanometara, oko klasičnog radijusa elektrona. Kako se valna duljina smanjuje, odgovarajuća energija raste. Zbog njihove ogromne energije, gama zrake iznimno je teško zaustaviti. Za zaštitu nečega od gama zraka potrebni su debeli štitovi (1m+) tvari sa što većim atomskim brojem. Olovo je jedna popularna tvar. Poznato je da gama zrake putuju kroz 3 metra betona. Zbog svoje visoke energije i sposobnosti prodiranja, gama zrake su izuzetno opasne biološki – mogu ubiti žive stanice nakon kontakta. Najopasniji početni učinak nuklearne eksplozije je bljesak gama zraka.
Gama zrake je prvi promatrao Paul Ulrich Villard 1900. godine, dok je proučavao radioaktivnost urana. U početku se sumnjalo da su gama zrake čestice, poput njihovih radijacijskih rođaka alfa čestica i beta čestica, no njihovo blještanje kroz kristal pokazalo je da su to doista elektromagnetski valovi. Poput alfa-čestica i beta-čestica, gama-zrake su ionizirajuće zračenje, iako (za razliku od beta-čestica) same po sebi nisu nabijene. Ionizirajuće zračenje je dovoljno snažno da odvoji elektrone od atoma koje udari, dajući im kao naboj i uzrokujući poremećaj u rezidentnom materijalu.
Jedan od najnevjerojatnijih fenomena u vezi s gama zrakama je eksplozija gama zraka (GRB). To su ogromne eksplozije gama zraka koje se događaju u dubokom svemiru. Oni su najsnažnija aktivnost u svemiru od Velikog praska. (Energičnije od supernove.) U 10 sekundi, veliki prasak gama zraka oslobađa više energije nego što će je Sunce osloboditi tijekom svog 10 milijardi godina života. Različite su konstruirane kako bi se objasnile različite vrste praska gama zraka. Prevladavajuća teorija je ona o kolapsu. Kolapsar je posebna supermasivna zvijezda koja izbacuje visokoenergetske relativističke mlazove sa svojih polova dok prolazi kroz završnu fazu kolapsa. Promatramo ih kao GRB-ove. Drugačiji tip GRB-a vjerojatno se objašnjava degeneriranim binarnim zvijezdama. Ekstremno guste neutronske zvijezde mogu se povremeno sudarati, oslobađajući ogromne količine gama zraka u procesu fuzije.
Gama zrake se također koriste u medicini za ubijanje malignih stanica, poput stanica raka. Ovaj se postupak naziva kirurgija gama nožem.