Kuantum renk dinamiği (QCD), güçlü nükleer kuvvetin temel teorisidir; tıpkı kuantum elektrodinamiğinin elektromanyetik kuvveti tanımladığı gibi. QCD'de kuvveti taşıyan alan kuantumu gluondur ve quark'lar gluon değişimi yoluyla birbirleriyle etkileşime girer. Ancak QED'den farklı olarak gluonlar, aracılık ettikleri yük türünü, renk yükünü, kendileri de taşırlar; bu durum QCD'yi QED'den niteliksel olarak farklı kılar. Renk yükü, kuantum renk dinamiği gluon kuvveti bağlamında altı değer alır: kırmızı, yeşil, mavi ve bunların anti-renkleri. Quark'lar bu renklerden birini taşırken gluonlar bir renk-anti-renk çiftini taşır; bu yüzden sekiz bağımsız gluon tipi vardır. QED'de foton yüksüz olduğundan kendi kendisiyle etkileşmez; gluonlar ise renk yükü taşıdıklarından birbirleriyle de etkileşebilir. Bu gluon öz-etkileşimi, güçlü kuvvetin bazı benzersiz özelliklerinin kaynağıdır. Asimptotik özgürlük (asymptotic freedom) bu özelliklerden birincisidir. Quark'lar birbirine yaklaştıkça güçlü kuvveti tanımlayan bağlaşma sabiti (coupling constant) küçülür; çok kısa mesafelerde quark'lar neredeyse serbest partiküller gibi davranır. Bu olgu, 1973'te Gross, Politzer ve Wilczek tarafından hesaplanmış ve daha sonra Nobel ödülüne layık görülmüştür. Kuantum renk dinamiği gluon kuvveti bağlamında ikinci temel özellik, renk hapsiyesidir (confinement). Quark'lar birbirinden uzaklaştıkça aralarındaki potansiyel enerji yaklaşık `κr` ile orantılı biçimde artar; burada `κ ≈ 1 GeV/fm` ipi gerilim sabitidir. Bu doğrusal potansiyel, quark'ların serbest halde gözlenememesini açıklar: ayırma için gereken enerji, yeni bir quark-anti-quark çifti oluşturacak kadar büyük olduğundan quark yalıtımı yerine hadron üretimi gerçekleşir. Renk hapsiyesinin tam mekanizması, QCD'nin hâlâ çözülmemiş temel problemlerinden biridir. Pertürbasyon teorisi burada işe yaramaz çünkü bağlaşma sabiti büyük olduğunda pertürbasyon açılımı ıraksak olur. Kafes QCD (lattice QCD), bu bölgede sayısal simülasyonlar aracılığıyla confinement'ı doğrular; ancak analitik bir kanıt, Millenium problemi kapsamında, henüz sunulamamıştır.