En el año 1989, tras pasar 6 años en Helloween, Kai Hansen se va de la banda. Después de un par de apariciones en los primeros discos de Blind Guardian se decide por formar un proyecto propio. Así junto a Ralf Scheepers (vocalista - ex Tyran Pace), Uwe Wessel (bajo) y Mathias Burchard (batería), forma Gamma Ray.
En febrero de 1990, lanzan su primer álbum, "Heading For Tomorrow", el mismo año lanzan un EP llamado "Heaven Can Wait". Para el siguiente disco "Sigh No More" (1991), Uli Kusch reemplaza a Mathias Burchard en la batería y Dirk Schlächter aparece como segundo guitarrista. En el año 1993 la banda lanza su tercer disco, "Insanity And Genius", incorporando a Thomas Nack en la batería y Jan Rubach en el bajo, que reemplazaron a Uli y Uwe respectivamente, debido a problemas personales.
Más tarde Ralf Scheppers se retira de la banda, con intención de ser el nuevo vocalista de Judas Priest, finalmente formando Primal Fear junto a Matt Sinner en 1998. Debido a esto, Kai Hansen se ve forzado a tomar las voces de la banda y con esta formación lanzan el aclamado "Land Of The Free" en el año 1995. Será seguido por un gran tour europeo ese mismo año del que son grabados un par de conciertos, cristalizanto en el lanzamiento del disco en vivo "Alive '95".
Tras ello, nuevos cambios de formación. Thomas y Jan se retiran de la banda y Dirk Schlächter cambia la guitarra por el bajo. Para completar, se incorporan a la banda Dan Zimmermann (batería, quien además toca en la banda de Power Metal Freedom Call) y Henjo Richter (guitarra). Así graban el disco "Somewhere Out In Space" en el año 1997, un disco conceptual basado en una odisea espacial. En 1999 lanzan un gran disco llamado Power Plant, considerado uno de los mejores por los fans, que sigue la misma estela de su predecesor. En el 2000 lanzan un recopilatorio llamado "Blast from the Past", compuesto de temas elegidos por los propios fans de la banda y cantados todos por Kai Hansen.
Por último, en el año 2001 la banda lanzó el disco "No World Order", un disco conceptual que aborda el tema del nuevo orden mundial en el cual vivimos actualmente y en el 2002 un doble disco en vivo: "Skeletons in the Closet". Este fue grabado en su mayor parte en Barcelona, y en él la banda toca temas que no toca regularmente en sus directos, como "Armagedon" o "Rich and Famous". En 2005 sacaron un nuevo disco llamado "Majestic", en el que se conserva el virtuosismo y compacto sonido de la banda. El 19 de noviembre de 2007 salió a la venta "Land of the Free II", que representa la continuación conceptual del disco Land of the Free de 1995, y con el que vuelven a un estilo de gran velocidad y técnica después de la reciente época más oscura. En 2007 giran con Helloween y Axxis en el "Hellish Rock Tour 2007/08", después de una reconciliación con los integrantes de su antiguo grupo. Durante este tour es grabado el concierto de Barcelona (16/01/2008) para ser incluido como bonus en el DVD "Hell Yeah! The Awesome Foursome", lanzado definitivamente el 27 de octubre de 2008 tras larga espera.
Desde los incios de Gamma Ray siempre ha habido un gran apoyo de los fans de Helloween que estaban más del bando de Kai y su inclinación melódica. Esto ha generado una dicotomía "irreconciliable" entre quienes ven en Hansen al "antiguo Helloween" y "el actual Helloween". No obstante, el Hellish Rock Tour 2007/08 da muestras de reconciliación entre bandas y fans.
En 29 de enero de 2010 se lanzó el nuevo álbum de Gamma Ray, To The Metal
Hell Yeah! The Awesome Foursome (2008)
Disc 1
1. Welcome
2. Gardens Of The Sinner
3. New World Order
4. Man On A Mission
5. Fight
6. Blood Religion
7. Heavy Metal Universe
8. Dream Healer
9. Heart Of The Unicorn
10. Fairytale - Accoustic
11. The Silence
Disc 2
1. Beyond The Black Hole
2. Valley Of The Kings
3. Somewhere Out In Space
4. Land Of The Free
5. Rebellion In Dreamland
6. I Want Out
7. Send Me A Sign
8. Into The Storm (bonus)
9. Empress (bonus)
10. From The Ashes (bonus)
11. Real World (bonus)
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