ゲージ理論、量子場の理論のクラス、量子力学とアインシュタインの特殊相対性理論の両方を含む数学的理論で、素粒子とそれに関連する波動場を記述するためによく使用されます。 ゲージ理論では、場の変数の変換（ゲージ変換）の一群が存在し、量子場の基本的な物理は変化しない。 この条件はゲージ不変と呼ばれ、理論にある種の対称性を与え、その方程式を支配している。 つまり、あるゲージ理論におけるゲージ変換群の構造は、その理論によって記述される場が他の場および素粒子と相互作用する方法に対する一般的な制限を含んでいるのである。

1864年にイギリスの物理学者ジェームズ・クラーク・マクスウェルが提唱した電磁場の古典理論はゲージ理論の原型ですが、ゲージ変換の概念は20世紀初頭にドイツの数学者ヘルマン・ヴァイルによって完全に開発されました。 マクスウェルの理論では、基本的な場の変数は電場と磁場の強さであり、補助変数（スカラーポテンシャルやベクトルポテンシャルなど）で記述することができる。 この理論におけるゲージ変換は、電場と磁場を変えない範囲で、これらのポテンシャルの値を変化させることによって行われる。 このゲージ不変性は、量子電気力学（QED）と呼ばれる現代の電磁気学理論でも維持されている。 現代のゲージ理論の研究は、アメリカの物理学者チェン・ニン・ヤンとロバート・L・ミルズによる強い相互作用のゲージ理論の定式化の試み（1954年）に始まる。 この理論におけるゲージ変換群は、強い相互作用を持つ粒子のアイソスピン（q.v.）を扱ったものである。 1960年代後半、Steven Weinberg、Sheldon Glashow、Abdus Salamは、電磁相互作用と弱い相互作用を統一的に扱うゲージ理論を開発した。 この理論は、現在では一般に「電弱理論」と呼ばれ、顕著な成功を収め、広く受け入れられている。 1970年代半ばには、クォーク（クォークを参照）間の相互作用のゲージ理論である量子色力学（QCD）の開発に向けて多くの研究が行われた。 様々な理論的理由から、ゲージ不変性の概念は基本的なものと考えられており、多くの物理学者は基本的な相互作用（すなわち、重力、電磁気、強い、弱い）の最終的な統一がゲージ理論によって達成されると信じている。 場の量子論も参照。