Trên trái đất, tia gamma thường sinh ra bởi sự phân rã gamma từ đồng vị phóng xạ tự nhiên và bức xạ thứ cấp từ các tương tác với các hạt trong tia vũ trụ. Cũng có những nguồn gamma tự nhiên khác không có nguồn gốc hạt nhân, ví dụ như các tia sét.

Bên ngoài vũ trụ có rất nhiều quá trình có thể sản sinh tia gamma, và đồng thời các điện tử có năng lượng rất cao được tạo ra. Từ đó chúng lần lượt gây ra các tia gamma thứ cấp bởi cơ chế của bức xạ hãm, Compton ngược và bức xạ điện tử. Phần lớn các tia gamma vũ trụ đều bị chặn lại bởi bầu khí quyển của trái đất và chỉ có thể được phát hiện bởi các trạm nghiên cứu trên không gian hoặc tàu vũ trụ.