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Un diagrama de Feynman es una representación bidimensional en la que un eje, normalmente el horizontal, se elige para representar el espacio, mientras que el segundo eje (vertical) representa el tiempo. Se utilizan líneas rectas para representar los fermiones -partículas fundamentales con valores semienteros de momento angular intrínseco (espín), como los electrones (e-)- y líneas onduladas para los bosones -partículas con valores enteros de espín, como los fotones (γ). A nivel conceptual, los fermiones pueden considerarse como partículas de «materia» que experimentan el efecto de una fuerza que surge del intercambio de bosones, las llamadas partículas «portadoras de fuerza» o de campo.

En el nivel cuántico, las interacciones de los fermiones se producen a través de la emisión y absorción de las partículas de campo asociadas a las interacciones fundamentales de la materia, en particular la fuerza electromagnética, la fuerza fuerte y la fuerza débil. Por tanto, la interacción básica aparece en un diagrama de Feynman como un «vértice», es decir, una unión de tres líneas. De este modo, la trayectoria de un electrón, por ejemplo, aparece como dos líneas rectas conectadas a una tercera línea ondulada donde el electrón emite o absorbe un fotón. (Véase la figura.)

Los diagramas de Feynman son utilizados por los físicos para realizar cálculos muy precisos de la probabilidad de cualquier proceso, como la dispersión electrón-electrón, por ejemplo, en electrodinámica cuántica. Los cálculos deben incluir términos equivalentes a todas las líneas (que representan las partículas que se propagan) y todos los vértices (que representan las interacciones) que aparecen en el diagrama. Además, dado que un proceso determinado puede representarse mediante muchos diagramas de Feynman posibles, las contribuciones de cada diagrama posible deben introducirse en el cálculo de la probabilidad total de que se produzca un proceso concreto. La comparación de los resultados de estos cálculos con las mediciones experimentales ha revelado un extraordinario nivel de precisión, con una concordancia de nueve dígitos significativos en algunos casos.

Los diagramas de Feynman más simples implican sólo dos vértices, que representan la emisión y la absorción de una partícula de campo. (Véase la figura.) En este diagrama un electrón (e-) emite un fotón en V1, y este fotón es absorbido un poco más tarde por otro electrón en V2. La emisión del fotón hace que el primer electrón retroceda en el espacio, mientras que la absorción de la energía y el momento del fotón provoca una desviación comparable en la trayectoria del segundo electrón. El resultado de esta interacción es que las partículas se alejan la una de la otra en el espacio.

Una característica intrigante de los diagramas de Feynman es que las antipartículas se representan como partículas de materia ordinaria que se mueven hacia atrás en el tiempo, es decir, con la punta de la flecha invertida en las líneas que las representan. Por ejemplo, en otra interacción típica (mostrada en la figura), un electrón colisiona con su antipartícula, un positrón (e+), y ambos se aniquilan. La colisión crea un fotón, que posteriormente forma dos nuevas partículas en el espacio: un muón (μ-) y su antipartícula, un antimuón (μ+). En el diagrama de esta interacción, ambas antipartículas (e+ y μ+) se representan como sus correspondientes partículas moviéndose hacia atrás en el tiempo (hacia el pasado).

También son posibles diagramas de Feynman más complejos, que implican la emisión y absorción de muchas partículas, como se muestra en la figura. En este diagrama dos electrones intercambian dos fotones separados, produciendo cuatro interacciones diferentes en V1, V2, V3 y V4, respectivamente.