Teorija kaosa se nanaša na obnašanje določenih sistemov gibanja, kot so oceanski tokovi ali rast prebivalstva, ki so še posebej občutljivi na drobne spremembe začetnih pogojev, ki imajo za posledico drastično različne rezultate. Za razliko od tega, kar govori v pogovoru, teorija kaosa ne pomeni, da je svet metaforično kaotičen, niti se ne nanaša na entropijo, s katero sistemi naravno težijo k neredu. Teorija kaosa temelji na negotovosti, ki je neločljivo povezana z meritvami, natančnostjo napovedi in nelinearnim obnašanjem navidez linearnih sistemov.
Pred kvantno mehaniko je bila teorija kaosa prva »čudna« ideja fizike. Leta 1900 je Henri Poincaré razmišljal o razmerju med vrednostmi v različnih časovnih točkah sistema, katerega splošno obnašanje je bilo mogoče natančno napovedati, kot je planet v orbiti. Spoznal je, da meritev, kot so položaj, hitrost ali čas, nikoli ne moremo natančno določiti, ker bi imel vsak instrument, ki bi ga bilo mogoče razviti, mejo svoje občutljivosti. To pomeni, da nobena meritev ni neskončno natančna.
Poincaré je vedel, da je gibanje deterministično opisano z vrsto enačb, ki lahko natančno napovejo stvari, na primer, kje bo žoga končala, če jo zakotalimo po rampi. Vendar je teoretiziral, da bi lahko majhna razlika v začetnih pogojih, ki temelji na skoraj nepomembnih variacijah v meritvah, kot je masa, povzročila dva popolnoma različna makroskopska rezultata daleč, daleč v prihodnosti. To teorijo so imenovali dinamična nestabilnost, kasneje pa so znanstveniki potrdili resničnost njegovih idej.
Teorija kaosa torej preučuje, kako organizirani, stabilni sistemi ne morejo vedno dati smiselnih napovedi za veliko kasnejši čas, čeprav kratkoročno vedenje bolj sledi pričakovanjem. Pravzaprav so lahko vse napovedi, ki jih prinaša, tako zelo različne, da niso nič boljše od ugibanj. Kontraintuitivno je, da natančnejša vrednost ne bi prinesla natančnejšega rezultata.
Učinek snežne kepe minutne spremembe vplivnih okoliščin se imenuje učinek metulja. Ta metafora namiguje, da bi metulj, ki maha s krili, kar je skoraj neopazen vpliv, lahko prispeval k razvoju orkana na drugi strani zemeljske oble. Edward Lorenz je v šestdesetih letih prejšnjega stoletja naredil prve računalniške simulacije, ki so pokazale dinamično nestabilnost z dejanskimi enačbami in podatki.
Začetnih razmer ni mogoče sklepati iz kasnejših razmer, niti obratno, v več pomembnih sistemih, kot so atmosferski tlak in oceanski tokovi, ki prispevajo k vremenu in podnebju. To ni le resnični scenarij, ki je posledica premajhnega števila termometrov v oceanu. Teorija kaosa je preverljiva, matematično konsistentna teorija, ki kaže, da včasih vedno bolj natančne meritve, vključene v enačbe, ne dajejo vedno bolj natančnih napovedi, temveč tako ekstremno različne vrednosti, da so praktično neuporabne.
Nekateri fiziki delajo na povezavah med to navidezno naključnostjo in obsežno strukturo. Raziskujejo vzorce v globalnem podnebju, množično porazdelitev galaksij v superjatah in variacijo populacije na geološki časovni lestvici. Domnevajo, da so bile na makroskopski ravni določene vrste organizacije in doslednosti omogočene le z neurejenostjo in nedoslednostjo teorije kaosa.