Gamma starojumu 1900. gadā atklāja franču zinātnieks Pols Vilārs (Paul Ulrich Villard), pētot rādija savienojumu emitēto radioaktīvo starojumu. Lielās caurspiešanās spējas dēļ jaunzēlandiešu fiziķis Ernests Raterfords (Ernest Rutherford, 1st Baron Rutherford of Nelson) piedāvāja jaunatklāto starojuma veidu nosaukt par gamma starojumu.
Galvenie procesi, kuros rodas gamma starojums, ir kodolu sabrukšanas reakcijas, elementārdaļiņu anihilācija un lādētu daļiņu strauja bremzēšanās. Gamma sabrukšanas reakcijas laikā kodols no ierosināta stāvokļa relaksē uz pamatstāvokli, enerģijas starpību emitējot gamma starojuma veidā. Atļauto kodola stāvokļu un to atbilstošo enerģijas vērtību sadalījums katram elementa kodolam ir unikāls – tipiski gamma starojuma avoti ir radioaktīvu elementu kodolu jeb radionuklīdu, piemēram, kobalta-60 (60Co), cēzija-137 (137Cs), tehnēcija-99m (99mTc) un amerīcija-241 (241Am), kodolsabrukšanas reakcijas. Alternatīvs gamma kvantu rašanās mehānisms ir elementārdaļiņu anihilācijas jeb daļiņu un antidaļiņu savstarpējās iznīcināšanās process. Vienkāršākais gadījums, kurā īstenojas enerģijas un kustības daudzuma nezūdamības likumi, paredz, ka procesā rodas divi pretēji vērsti fotoni. To kopējā enerģija ir vienāda ar sākotnējo daļiņu miera stāvokļa enerģiju saskaņā ar Alberta Einšteina (Albert Einstein) masas-enerģijas ekvivalences vienādojumu (E = mc2, kur E – enerģija, m – masa, c – gaismas ātrums vakuumā). Piemēram, elektrona un pozitrona anihilācijas rezultātā rodas divi pretēji vērsti gamma kvanti, kuru individuālā enerģija ir 0,511 MeV. Elektromagnētiskais starojums gamma enerģiju diapazonā var tikt izstarots arī ātru lādētu daļiņu straujas bremzēšanas procesā.
Gamma starojuma ietekmi nosaka procesi, ko atbilstošās enerģijas kvanti var ierosināt vielā. Galvenie mijiedarbības mehānismi ir fotoefekts (photoelectric effect), Komptona izkliede (Compton scattering) un elektronu-pozitronu pāru veidošanās (pair production). Mijiedarbības mehānismu varbūtība ir atkarīga no starojuma enerģijas un absorbējošā elementa atomskaitļa. Fotoefekts dominē relatīvi zemās starojuma enerģijās, bet pāru veidošanās – augstās. Ļoti augstas enerģijas gamma kvantu (> 5 MeV) absorbcija vielā var izraisīt kodolreakcijas (photonuclear reactions). Tipiskos gamma starojuma detektoros tiek reģistrēts optisks vai elektrisks signāls no vielā ierosināto procesu radītiem sekundāru daļiņu – elektronu un caurumu – pāriem.
Dzīvos organismos gamma starojuma ierosinātā atomu jonizācija un ķīmiskas reakcijas var izraisīt nevēlamus bioloģiskus efektus, kas saistīti ar šūnu bojājumiem vai nāvi. Atkarībā no ķermenī absorbētās dozas izšķir determinēto un stohastisko iedarbību. Determinētā iedarbība ir tieša atbildes reakcija pēc jonizējošā starojuma ekspozīcijas, kas var izpausties kā ādas bojājumi, staru slimība vai ļoti lielas saņemtās dozas gadījumā – nāve. Zemu dozu gadījumā aplūko stohastiskos veselības riskus, piemēram, ģenētiskus defektus vai vēzi, kas ar zināmu varbūtību var iestāties ilgāka perioda laikā (gadiem, dažreiz gadu desmitiem).