Chaoso teorija nurodo tam tikrų judėjimo sistemų, tokių kaip vandenyno srovės ar gyventojų skaičiaus augimas, elgseną, ypač jautrias nedideliems pradinių sąlygų pokyčiams, dėl kurių baigiasi drastiškai skirtingi rezultatai. Kitaip nei šnekamojoje kalboje, chaoso teorija nereiškia, kad pasaulis yra metaforiškai chaotiškas, taip pat nenurodo entropijos, pagal kurią sistemos natūraliai linkusios į netvarką. Chaoso teorija remiasi matavimams būdingu neapibrėžtumu, prognozių tikslumu ir netiesiniu iš pažiūros tiesinių sistemų elgesiu.
Prieš kvantinę mechaniką chaoso teorija buvo pirmoji „keista“ fizikos idėja. 1900 m. Henri Poincaré galvojo apie ryšį tarp verčių skirtingais sistemos laiko momentais, kurių bendrą elgesį galima tiksliai numatyti, pavyzdžiui, planetos orbitoje. Jis suprato, kad matavimai, tokie kaip padėtis, greitis ar laikas, niekada negali būti tiksliai nustatyti, nes kiekvienas instrumentas, kurį būtų galima sukurti, turės savo jautrumo ribą. Tai yra, joks matavimas nėra be galo tikslus.
Poincaré žinojo, kad judėjimas deterministiškai apibūdinamas lygčių serija, kuri gali tiksliai numatyti dalykus, pavyzdžiui, kur atsidurs rutulys, jei jis bus nuridentas rampa. Tačiau jis iškėlė teoriją, kad nedidelis pradinių sąlygų skirtumas, pagrįstas beveik nereikšmingais matavimo, pavyzdžiui, masės, skirtumais, gali sukelti du visiškai skirtingus makroskopinius rezultatus toli, toli ateityje. Ši teorija buvo vadinama dinaminiu nestabilumu, o vėliau mokslininkai patvirtino jo idėjų teisingumą.
Todėl chaoso teorija tiria, kaip organizuotos, stabilios sistemos ne visada gali duoti prasmingų prognozių daug vėlesniam laikui, net jei trumpalaikis elgesys labiau atitinka lūkesčius. Tiesą sakant, bet kokios jo pateiktos prognozės gali būti tokios labai skirtingos, kad jos nėra geresnės už spėjimus. Prieštaringa, kad tikslesnė vertė neduos tikslesnės išvesties.
Sniego gniūžtės efektas, atsirandantis dėl minutės įtakingų aplinkybių pasikeitimo, vadinamas drugelio efektu. Ši metafora leidžia manyti, kad drugelis, plazdantis sparnais, beveik nepastebimas poveikis, gali prisidėti prie uragano vystymosi kitoje Žemės rutulio pusėje. Edvardas Lorencas septintajame dešimtmetyje atliko pirmuosius kompiuterinius modeliavimus, kurie parodė dinaminį nestabilumą naudojant faktines lygtis ir duomenis.
Keliose svarbiose sistemose, pavyzdžiui, atmosferos slėgis ir vandenyno srovės, kurios prisideda prie oro ir klimato, negalima nustatyti pradinių sąlygų iš vėlesnių sąlygų ir atvirkščiai. Tai nėra tik realus scenarijus, atsirandantis dėl to, kad vandenyne yra per mažai termometrų. Chaoso teorija yra patikrinama, matematiškai nuosekli teorija, kuri rodo, kad kartais vis tikslesni matavimai, sujungti į lygtis, neduoda vis tikslesnių prognozių, o tokias labai skirtingas vertes, kad jos praktiškai nenaudingos.
Kai kurie fizikai tiria ryšius tarp šio tariamo atsitiktinumo ir didelio masto struktūros. Jie tiria pasaulinio klimato modelius, galaktikų masinį pasiskirstymą superspiečiuose ir populiacijos kitimą geologiniu laiko mastu. Jie kelia hipotezę, kad makroskopiniu lygmeniu tam tikros rūšies organizavimas ir nuoseklumas buvo įmanomi tik dėl chaoso teorijos netvarkos ir nenuoseklumo.