В 1988, после четырёх лет в Helloween, гитарист и автор песен Кай Хансен решил покинуть группу по причинам, которые всё ещё являются предметом для споров. Сам Хансен объяснял свой уход усталостью от напряжённого графика, «небольшими разногласиями» в группе и другими банальными вещами. Быстро отдохнувший от «гастрольного стресса» Кай проявил недюжинную работоспособность, успев за зиму принять участие в записи альбомов трёх групп — Joal, Ally Kat и Blind Guardian, причём в последнем случае в качестве не только гитариста, но и вокалиста. Работа в студии вернула ему наконец-то уверенность в своих силах, и он создал собственный проект Gamma Ray. Вокалистом он пригласил старого знакомого Ральфа Шиперса (Ralph Scheepers), к тому моменту ушедшего из группы Tyran Pace. Этот проект уже можно было назвать группой лишь после прихода Уве Весселя (Uwe Wessel) (бас) и Матиаса Бурхарда (Mathias Burchard) (ударные). Так произошло рождение Gamma Ray — коллектива, по звучанию достаточно близкого к стилю бывшей группы Хансена, Helloween.

В феврале 1990 был издан дебютный альбом Heading for Tomorrow, вокал на котором принадлежит Ральфу Шиперсу. Позже в том же году — Heaven Can Wait EP с новым гитаристом Дирком Шлехтером (Dirk Schlächter) и новым барабанщиком Ули Кушем (Uli Kusch).

В феврале 1991 группа репетировала для записи второго альбома в маленьком загородном домике, находящемся в Дании. С несколькими новыми песнями в запасе Gamma Ray вошли в студию, принадлежащую продюсеру Томми Ньютону (Tommy Newton). Он успешно осуществил свою работу на альбоме, названном Sigh No More, который был издан в сентябре 1991. Ральф Шиперс уже стал полноправным участником группы, и вокал на альбоме принадлежит ему. Стиль довольно сильно отличается от стиля первого альбома, а лирика очень депрессивна, причиной этому, по некоторым источникам, послужила война в Персидском заливе, которая шла в это время. После выхода альбома группа осуществила 50-дневный мировой тур.

После японского тура в 1992 группу решили покинуть Ули Куш и Уве Вессель из-за внутренних разногласий, которые были заменены молодыми музыкантами из малоизвестной группы Anesthesia, Яном Рубахом (Jan Rubach) (бас) и Томасом Наком (Thomas Nack) (ударные). После этого группа занялась строительством собственной студии, что потребовало много времени, поэтому они не начинали запись до начала 1993. Альбом, названный Insanity and Genius, был издан лишь в июне 1993. Стиль альбома снова приблизился к Heading for Tomorrow, в этой записи Кай снова принялся за написание взрывного спид-метала. Insanity and Genius был сыгран вживую на фестивалях Melodic Metal strikes back, полностью во всех четырёх шоу с участием Helicon, Conception, Rage и Gamma Ray как совместных хедлайнеров. Второе live-видео, названное Lust for Live, было снято на концерте в Гамбурге, который также был издан как live CD под названием The Power of Metal в декабре.

Самые крупные изменения в составе ещё только предстояли. Когда были разработаны планы для четвёртого альбома группы, Хансен и Шлехтер были удручены тем фактом, что Шиперс живёт слишком далеко от Гамбурга. Это означало, что они могли проводить репетиции только в выходные, именно этот факт стал причиной задержки записи. С тех пор, как Шиперс был прослушан для работы вокалистом в знаменитой группе Judas Priest и его шансы были оценены достаточно хорошо, Хансен спросил его, действительно ли он думает, что оставаться в Gamma Ray будет правильным решением. Вдвоём они решили, что лучше будет, если Шиперс покинет группу, и без особых разногласий с обеих сторон Шиперс оставил Gamma Ray. После этого Хансен начал поиски нового вокалиста, но по просьбам друзей и фэнов взял и вокальные, и гитарные обязанности на себя, как сделал это на двух первых альбомах Helloween.

В 1995 был издан четвёртый альбом Land of the Free, первый альбом, где Хансен выступил в роли вокалиста. Приглашёнными вокалистами были Ханси Кюрш из Blind Guardian и Михаэль Киске (ex-Helloween). Критики всего мира были довольны. Последующий тур, Men on a Tour, послужил причиной к записи и выпуску живого альбома Alive '95 в 1996.

Вскоре Хансен и Шлехтер оба решили, что нужно снова изменить состав. Группу покинули Ян Рубах и Томас Нэк (оба вернулись в свой прежний коллектив, Anesthesia), пришёл новый барабанщик Дан Циммерман (Dan Zimmerman), также барабанщик группы Freedom Call. Шлехтер решил, что перестанет играть на гитаре и примет на себя обязанности бас-гитариста, так как именно на бас-гитаре он учился играть изначально. Это можно видеть на более раннем видео Heading for the East, когда он и Вессель поменялись инструментами на несколько песен, и Шлехтер исполняет соло на басу в одном месте. Хеньо Рихтер пришёл в Gamma Ray, чтобы занять место второго гитариста.

Началась работа по созданию следующего полноформатного альбома, и в 1997 был выпущен Somewhere Out In Space, лирика которого основана на романтике космоса и межзвёздных путешествий. После двух лет туров вышел альбом Powerplant, который явился продолжением Somewhere Out In Space в лирическом плане, но довольно сильно отличался в музыкальном. Альбом был высоко оценён во всём мире.

Пришло время для создания сборника лучших песен, но Хансен решил сделать это немного по-другому: он позволил фэнам выбрать голосованием на их сайте три лучшие песни на каждом из альбомов, а затем группа вновь вернулась в студию, чтобы перезаписать достаточно старые песни с первых трёх альбомов и сделать изменённые версии для песен, выпущенных позже. Этот двойной альбом был назван Blast from the Past.

После перерыва в один год, когда Хансен сконцентрировался на сайд-проекте Iron Savior, группа была готова для записи и выпуска следующего альбома No World Order!. Альбом содержал много тяжёлых риффов в стиле классических групп 1980-х, таких как Iron Maiden и Judas Priest, как и было обещано. И снова альбом был высоко оценён. На туре в поддержку альбома группа посетила очень много стран Европы и отыграла несколько концертов в Японии. После небольшого перерыва Gamma Ray отправились на тур под названием Skeletons in the Closet. В этом туре участники группы исполняли песни, которые они никогда или очень редко играли до этого. Вновь список песен был выбран фэнами на сайте группы. Было сыграно всего лишь несколько шоу, но два из них были скомпонованы в живой альбом Skeletons in the Closet, их лучший живой альбом на сегодняшний день.

23 сентября 2005 года был выпущен студийный альбом Majestic.

Live DVD, названный «Hell Yeah — The Awesome Foursome (And The Finnish Keyboarder Who Didn’t Want To Wear His Donald Duck Costume) Live in Montreal», был записан 6 мая 2006 в Монреале.

В последние годы Gamma Ray используют сессионных клавишников для туров, чтобы полностью передать собственное звучание в живой обстановке. Аксель Макенротт (Axel Mackenrott) из Masterplan выполнял эти задачи ранее, теперь эту роль выполняет Эро Каукомиес (Eero Kaukomies) из Финляндии, который играет в Gamma Ray tribute группе. Его согруппник гитарист Каспери Хейккинен (Kasperi Heikkinen) также играл в части тура Majestic в 2006 по причине травмы Хеньо Рихтера (Henjo Richter).

Студийный альбом Gamma Ray Land Of The Free Part II был выпущен 16 ноября 2007 в Германии, 19 ноября в Европе, 21 ноября в Японии и 15 января 2008 в Северной Америке.

В ноябре 2007 года Gamma Ray совместно с Helloween и Axxis отправились в мировое турне Hellish Rock 2007/2008. Хедлайнером тура является группа Helloween. Gamma Ray назван «особым гостем» тура (англ very special guest) и, также как и Axxis, играет не на всех выступлениях. Тур знаменателен тем, что в конце выступления состав Gamma Ray (за исключением ударника) присоединяется к Helloween, чтобы вместе исполнить ранние хиты Helloween, автором которых был Кай, — «Future World» и «I Want Out»

В 2010 году вышел новый студийный альбом «To the Metal!». В сентябре 2012 стало известно, что Gamma Ray расстались с ударником Дэном Циммерманом, которого заменил Михаэль Эхре (Love.Might.Kill, Firewind, Uli Jon Roth, Metalium).

15 марта 2013 года на EarMisic вышел миньон «Master Of Confusion», включающий два новых трека, две кавер-версии (Holocaust, Sweet) и шесть концертных композиций. Этот релиз стал тизером к вышедшему в 2014 году альбому «Empire Of The Undead».

Кай Хансен — гитара (с 1989), гитара/вокал (с 1994)
Франк Бек — вокал (с 2015)
Хеньо Рихтер (Henjo Richter) — гитара, клавишные (с 1997)
Дирк Шлехтер (Dirk Schlächter) — бас-гитара (с 1997), гитара (1990—1997)
Михаэль Эре (Michael Ehré) — барабаны (с 2012)