Den västafrikanska nationen betecknade den 54-medlemsgrupp, som omfattar Storbritannien och de flesta av dess tidigare kolonier, en "neokolonial institution".
Indragningen tillkännagavs på statlig TV, men inga andra skäl angavs.
För två år sedan anklagade president Yahya Jammeh Storbritannien för att stödja hans politiska opposition inför valet.
Samväldestjänstemän sade att de bara hörde talas om flytten genom media och hade ännu inte kontaktats av Gambia.
En talesman sade generalsekreterare Kamalesh Sharma hade sett rapporterna med "skräck och besvikelse" och hade bett om "klargörande" från landet.
Det finns en historia av spänningar mellan president Jammeh, som kom till makten i en statskupp 1994, och Storbritannien.
Tidigare i år har en rapport från utrikesdepartementet pekat ut Gambia för sina mänskliga rättigheter, med hänvisning till fall av olagliga frihetsberövanden, olagliga avstängningar av tidningar och diskriminering av minoritetsgrupper.
På torsdagen sade en talesman för utrikesdepartementet: " Beslut om medlemskap i samväldet är en fråga för varje medlemsregering. Vi skulle verkligen ångra Gambia, eller något annat land, som beslutar sig för att lämna Samväldet."
I augusti förra året blev Gambia kritiserad av Amnesty International och andra för att ha avrättat nio fångar genom exekutionspluton.
Samväldet grundades 1931 men fick sin moderna form efter 1949 då före detta brittiska kolonier och protektorat, inklusive Gambia, började uppnå självstyre och varierande grad av självständighet.
Enligt samväldets stadga bör medlemsstaterna kommunicera och samarbeta "i våra folks gemensamma intresse och i främjandet av internationell förståelse och världsfred".
I sitt uttalande sade Gambian regeringen att den hade "återkallat sitt medlemskap i Brittiska samväldet".
Den sade att den hade "avgjort att Gambia aldrig kommer att vara medlem i någon nykolonial institution och aldrig kommer att vara ett parti till någon institution som representerar en förlängning av kolonialismen".
Men Bakary Dabo, tidigare vice president i Gambia och ordförande för landets kampanj för demokratisk förändring, sade människor där i allmänhet "mycket glada" att vara en del av Samväldet.
Han sade att regeringen nyligen hade börjat "ta upp krig mot dåligt specificerade fiender som kallas "västliga makter".
På tal om BBC Radio 4's Today program sade Dabo att denna retorik hade "accelererat" under de senaste åren och använts när president Jammeh höll ett "ambulerande" tal vid FN:s generalförsamling förra månaden.
Även i FN sade president Jammeh att homosexualitet var ett av de tre största hoten mot människans existens.
Han har också dragit internationell kritik för att han hävdar att han kan bota aids med en örtkroppsmassage och bananer.
BBC Africa analytiker Farouk Chothia sade trots sin bild som en idyllisk semester destination, Gambia, och dess befolkning på mindre än två miljoner, hölls under sträng kontroll av sin excentriska ledare.
Det senaste beslutet skulle komma från honom, tillade vår analytiker.
Royal Commonwealth Society, en utbildningsorganisation som arbetar i samväldesländerna, sade Gambias tillkännagivande var oväntat och verkade vara odemokratiskt.
Samhällets direktör Michael Lake sa att president Jammeh hade fattat beslutet "utan att rådfråga Gambias folk" och landets tillbakadragande skulle vara "en förlust som både dess folk och det bredare samväldesnätverket känner".
Han tillade: "Snart från att vara en "neokolonial institution" fungerar det moderna samväldet enligt en konsensusmodell och dess frivilliga medlemskap bygger i första hand på ett lands åtagande att upprätthålla gemensamma värderingar och principer."
Sista gången en nation lämnade samväldet var 2003, då Zimbabwe drog sig tillbaka.
Drottningen, som är 87 år, är chef för Samväldet, som håller sitt nästa regeringsmöte i Colombo i Sri Lanka nästa månad.
Sammankomsten blir dock den första som Drottningen inte har varit med sedan 1971. Hon skickar sin son, prinsen av Wales istället. Buckingham Palace sa att hon skulle göra färre utlandsresor på grund av sin ålder.
Under de senaste åren har tre afrikanska länder anslutit sig till samväldet. Rwanda antogs 2009 efter att ha ansökt om medlemskap föregående år, medan Kamerun och Moçambique blev medlemmar 1995.
Gambias beslut att dra sig ur samväldet 48 år efter att ha anslutit sig är något att "mycket beklaga", har Storbritanniens utrikesdepartement sagt.