En 1989, tras haber grabado con Helloween los álbumes Walls of Jericho (1985), Keeper Of The Seven Keys Part I (1987) y Keeper Of The Seven Keys Part II (1988),^[3]​ Kai Hansen abandonó la formación dispuesto a crear una nueva banda. Después de un par de apariciones en los primeros discos de Blind Guardian, reclutó a Ralf Scheepers (vocalista - ex Tyran Pace), Uwe Wessel (bajo) y Mathias Burchard (batería) para formar la primera alineación de Gamma Ray.^[1]​

En febrero de 1990, la banda publicó su primer álbum, Heading For Tomorrow. El mismo año, fue publicado el EP Heaven Can Wait. Para el siguiente disco, Sigh No More (1991), Uli Kusch reemplazó a Mathias Burchard en la batería y Dirk Schlächter apareció como segundo guitarrista.^[4]​ En 1993, la banda lanzó su tercer disco de estudio, Insanity And Genius, incorporando a Thomas Nack en la batería y Jan Rubach en el bajo, que reemplazaron a Kusch y Wessel, respectivamente, debido a problemas personales.^[1]​

Scheppers se retiró de la banda con la intención de ser el nuevo vocalista de Judas Priest, aunque al final acabó formando la banda Primal Fear junto a Mat Sinner en 1998.^[5]​ Hansen se vio forzado a convertirse en el cantante principal de la agrupación. Con esta formación, fue publicado el álbum Land of the Free en el año 1995, seguido de una gira europea ese mismo año de la que se grabaron un par de conciertos, cristalizados en el lanzamiento del disco en vivo Alive '95.^[1]​

Tras el lanzamiento del álbum, Nack y Rubach se retiraron de la banda y Schlächter cambió la guitarra por el bajo. Además se incorporaron a la banda Dan Zimmermann (batería) y Henjo Richter (guitarra). Esta formación grabó el disco Somewhere Out In Space en el año 1997. En 1999, fue publicado el álbum Power Plant, que siguió el mismo estilo de su predecesor.^[6]​ La banda inició el nuevo milenio con el lanzamiento del álbum recopilatorio Blast from the Past, compuesto de canciones elegidas por los propios fanáticos de la banda y cantados todos por Kai Hansen.^[1]​

En el año 2001, la banda lanzó el disco No World Order, en el cual "La banda de Kai Hansen se alinea con los temas presentados por el autor Mark Brauneis, un chiflado de las conspiraciones".^[7]​ En 2002 salió a la venta un disco doble en vivo titulado Skeletons in the Closet, grabado en su mayor parte en Barcelona. En 2005, fue publicado Majestic.^[1]​

El 19 de noviembre de 2007, salió a la venta Land of the Free II, la continuación de Land of the Free de 1995. En 2007, la banda salió de gira con Helloween y Axxis en el Hellish Rock Tour 2007/08, después de una reconciliación de Hansen con los integrantes de su antiguo grupo.^[8]​ Durante esta gira fue grabado un concierto en Barcelona, llevado a cabo el 16 de enero de 2008, para ser incluido en el DVD Hell Yeah! The Awesome Foursome, lanzado el 27 de octubre de 2008.

El 29 de enero de 2010, fue publicado el disco To The Metal. Se esperaba que el próximo disco de Gamma Ray fuera lanzado en enero de 2013, tal y como Hansen lo confirmara en una entrevista durante la promoción de su nuevo disco con Unisonic,^[9]​ más la producción del mismo sufrió continuos retrasos. El 1 de septiembre de 2012, la banda anunció a Michael Ehré como su nuevo baterista, reemplazando a Daniel Zimmermann, quien estuvo 15 años ocupando dicha posición.^[10]​

Hansen reveló en una entrevista con Metal Blast, en abril de 2013, que el undécimo álbum de Gamma Ray, Empire of the Undead, tendría un sonido más similar al del thrash metal que sus pasadas producciones. En la misma entrevista, Dirk Schlächter anunció que la banda se embarcaría en una gira para promocionar el disco.^[11]​ Empire of the Undead fue publicado finalmente en marzo de 2014, aunque el estudio de grabación de la banda fue completamente destruido por un incendio.^[12]​

En octubre de 2015, se anunció que Frank Beck sería el nuevo cantante de Gamma Ray y que compartiría labores vocales con Kai Hansen. Esta decisión se tomó principalmente debido a los problemas en la voz de Hansen tras las largas giras, así como al deseo del músico de tener más libertad en el escenario.^[13]​ El 10 de agosto de 2017, la banda anunció el lanzamiento de una edición de aniversario del popular disco Land of the Free.^[14]​^[15]​

En junio de 2021, Hansen declaró que, a pesar de su reencuentro con Helloween, no pensaba abandonar Gamma Ray, y que estaba preparando material para un potencial nuevo álbum.^[16]​ En 2023, Gamma Ray lanzó una versión remasterizada de Blast from the Past en un digipak limitado de tres CDs en formato digital y en vinilo.^[17]​

• Henjo Richter - Guitarra (1997 - actualidad)
• Dirk Schlächter - Bajo (1997 - actualidad), guitarra (1990 - 1997)
• Michael Ehré - Batería (2012 - actualidad)
• Kai Hansen - Voces y Guitarra (1988 - actualidad)
• Frank Beck - Voces (2016 - actualidad)

• Ralf Scheepers - Voces (1989-1994)
• Uwe Wessel - Bajo (1988-1993)
• Jan Rubach - Bajo (1993-1997)
• Mathias Burchard - Batería (1989-1990)
• Uli Kusch - Batería (1990-1992)
• Thomas Nack - Batería (1993-1997)
• Dan Zimmerman - Batería (1997-2012)

• Michael Kiske - Voces (1995) en «Land Of The Free» (estribillo), «Time to Break Free» y en «All You Need To Know»
• Hansi Kürsch - Voces (1995) en «Farewell»
• Tommy Newton - Guitarra (1990, 1991)
• Tammo Vollmers - Batería (1990)
• Mischa Gerlach - Teclado (1990)
• Sascha Paeth - Teclado (1995)

• Mike Terrana - Batería (1998)
• Timo Kotipelto - Voces
• Jörg Schrör - Bajo (2000)
• Andre Matos - Voces (1997)
• Axel Mackenrott - Teclado (2004)
• Kasperi Heikkinen - Guitarra (2006)
• Eero Kaukomies - Teclado (2006, 2007)
• Henning Basse - Voces (2006, 2007) durante la gira de la Hellish Rock.
• Michael Kiske - Voces (2011) durante la gira de Skeletons & Majesties en las canciones «Time To Break Free», «Future World» y «A While in Dreamland».

• Heading for Tomorrow (1990)
• Sigh No More (1991)
• Insanity and Genius (1993)
• Land of the Free (1995)
• Somewhere Out in Space (1997)
• Power Plant (1999)
• No World Order (2001)
• Majestic (2005)
• Land of the Free II (2007)
• To the Metal! (2010)
• Empire of the Undead (2014)

• The Karaoke Album (1997)
• Heading for Tomorrow / Heaven Can Wait (1998) No oficial
• Blast From the Past (2000)
• Alright! 20 Years of Universe (2010)
• The Best (Of) (2015)

• Heading for the East (1990)
• Lust for Life (1993)
• Alive '95 (1996, grabado en Milán, París, Pamplona y Erlangen).
• Skeletons in the Closet (2003, grabado en Barcelona el 31.10.2002 y Estrasburgo el 01.11.2002).
• Hell Yeah! The Awesome Foursome (2008, grabado en Montreal en 2006).
• Skeletons and Majesties Live (2012), grabado en Pratteln, Suiza el 29 de abril del 2011, durante la gira Skeletons and Majesties Tour.
• 30 Years - Live Anniversary (2021).

• Heaven Can Wait (1990)
• Who Do You Think You Are? (1990)
• Future Madhouse (1993)
• Rebellion in Dreamland (1995)
• Silent Miracles (1996)
• Valley of the Kings (1997)
• Heaven or Hell (2001)
• To the Metal (2010)
• Skeletons & Majesties (2011)
• Master of Confusion (2013)
• Avalon (2014)
• Time for Deliverance (2014)
• Pale Rider (2014)
• I Will Return (2014)

• Heading for the East (1991)
• Lust for Live (1994)
• Hell Yeah! The Awesome Foursome (2008)
• Skeletons and Majesties Live (2012)
• 30 Years Live Anniversary (2021)

• Sitio web oficial de Gamma Ray
• Vídeo-entrevista a Kai Hansen (Unisonic, Gamma Ray) en Metalovisión
•   Wikimedia Commons alberga una categoría multimedia sobre Gamma Ray.