Из дворянской семьи. Окончил одесское реальное училище (1913—20). С 1921 учился на математическом отделении физико-математического факультета Новороссийского университета в Одессе. В 1921—22 сотрудник вычислительного бюро астрономической обсерватории там же. В 1922—24 учился на физико-математическом факультете Петроградского университета. Ученик профессора Д.С .Рождественского. В декабре 1924 оставлен в аспирантуре, занимался теоретической физикой под руководством Ю.А. Круткова. В 1924—25 внештатный сотрудник Государственного оптического института. В этот период подружился с физиками Л.Д. Ландау и Д.Д. Иваненко. В 1928—29 стажировался в Германии и Дании в Институте теоретической физики Н. Бора. По представлению Э. Резерфорда, А.Н. Крылова и Ю.А. Круткова в 1929 получил Рокфеллеровскую стипендию для работы в течение года в Кавендишской лаборатории в Кембридже; с конца сентября 1929 жил в Англии. После возвращения в СССР с 1931 старший физик Физико-математического института, старший радиолог Государственного радиевого института, старший научный сотрудник Научно-исследовательского института физики при Ленинградском университете, научный консультант Ленинградского и Украинского физико-технических институтов. В марте 1932 избран членом-корреспондентом СССР. В октябре 1933 выехал в Брюссель (Бельгия) для участия в Сольвеевском конгрессе по ядерной физике. В СССР не вернулся. Исключен из АН СССР в апреле 1938. 22 марта 1990 постановлением Общего собрания АН СССР восстановлен в звании. Из Бельгии уехал в США. В 1934—56 профессор физики в университете Дж. Вашингтона в Вашингтоне. Гражданин США с 1940. С 1956 профессор Колорадского университета, где работал до конца жизни. Основное направление исследований — приложение методов ядерной физики к интерпретации процессов эволюции Вселенной. Первым рассчитал модели звезд с термоядерными источниками энергии, исследовал эволюционные треки планет. В 1946—48 разработал теорию образования химических элементов путем последовательного нейтронного захвата и модель «горячей Вселенной», в рамках которой предсказал реликтовое излучение и достаточно точно определил его температуру. Высказал гипотезу движения материи Вселенной вокруг отделенного центра вращения. За популяризацию научных достижений удостоен премии Калинга (1956), присуждаемой ЮНЕСКО. Член Национальной АН США, Королевской АН и искусств Дании, Международного астрономического союза, Американского физического общества и др.

Похоронен на Green Mountain Cemetery, Boulder, Colorado, USA.

Жена: в 1-м браке Лидия Николаевна Вохминцева; во 2-м — Барбара Перкинс. Сын: Рустем-Игорь (р. 1934).

Соч.: Атомное ядро и радиоактивность. М.; Л., 1930; Строение атомного ядра и радиоактивность. М.; Л., 1932; L'evolution des étoiles du point de vue de la physique moderne. P., 1938; Biography of the Earth: Its Past, Present and Future. L.; New York; Toronto, 1941; The Creation of the Universe. New York, 1952; Expanding Universe and Origin of Galaxies. Kopenhagen, 1953; Physics: Foundations and Frontiers. New York, 1960 (с Дж. Клевелэндом); Thirty Years That Shook Physics: The Story of Quantum Theory. New York, 1966.

Восп.: My World Line: An Informal Autobiography. New York, 1970; (рус. пер.): Моя мировая линия: неформальная автобиография. М., 1994.

Лит.: Лисневский Ю.И. Георгий Антонович Гамов. Жизнь в России и СССР // Вопросы истории естествознания и техники. 1989. Вып. 1/2; Френкель В.Я., Чернин А.Д. Возвращается Г.А. Гамов // Природа. 1989. № 8. С. 82—102; Френкель В.Я., Чернин А.Д. Гамов в Новом свете // Российская научная эмиграция: двадцать портретов. М., 2001. С. 72—89; Горелик Г.Е. Предыстория ФИАНа и Г.А. Гамов. М., 1990; Лисневский Ю.И. Дополнительные материалы к биографии ученого // Гамов Дж. Моя мировая линия: неформальная автобиография. М., 1994. С. 151—231; Русское зарубежье. Золотая книга эмиграции. Первая треть ХХ века: Энциклопедический биографический словарь / Под общей ред. В.В. Шелохаева. М., 1997. С. 167—169 (авт. В. Борисов); Александров Е.А. Русские в Северной Америке: Биографический словарь. Хэмден, Сан-Франциско, СПб., 2005. С. 121—122; Горелик Г.Е. «Вот пример: советский парень Гамов…» // Знание — сила. 2004. № 3. С. 82—90; Gillispie C., ed. Dictionary of Scientific Biography. Vol. 5. New York, 1972. P. 271—273; Porter R., Ogilvie M., ed. The Hutchinson Dictionary of Scientific Biography. Vol. 1. New York, 2000. P. 268—269; Daintith J., Mitchell S., Tootill E. Biographical Encyclopaedia of Scientists. Edinburgh, 1982. P. 188—189; Raymond B., Jones J.D. The Russian Diaspora, 1917—1941. Lanham, 2000. P. 107—108.

Некр.: Незабытые могилы. Российское зарубежье: Некрологи 1917—1997: В 6 т. / Сост. В.Н. Чуваков. М., 1999. Т. 2. С. 34; New York Times. 1968. August 21; Nature. 1968. № 220. P. 723; Physics Today. 1968. Vol. 21. Р. 102; IAJ. 1970. Vol. 9. P. 170.