นิยามทางคณิตศาสตร์ของสนามไฟฟ้ากำหนดไว้ดังนี้ กฎของคูลอมบ์ (Coulomb's law) กล่าวว่าแรงกระทำระหว่างอนุภาคมีประจุสองอนุภาค มีค่าเท่ากับ

F = 1 4 π ϵ 0 q 1 q 2 r 2 r ^ ( 1 ) {\displaystyle \mathbf {F} ={\frac {1}{4\pi \epsilon _{0}}}{\frac {q_{1}q_{2}}{r^{2}}}\mathbf {\hat {r}} (1)}

เมื่อ

• ϵ 0 {\displaystyle \epsilon _{0}} (อ่านว่า เอปสิลอน-นอท) คือ สภาพยอมของสุญญากาศ ซึ่งเป็นค่าคงตัวทางฟิสิกส์ตัวหนึ่ง;
• q 1 {\displaystyle q_{1}} และ q 2 {\displaystyle q_{2}} คือ ประจุไฟฟ้าของอนุภาคแต่ละตัว;
• r {\displaystyle r} คือ ระยะทางระหว่างอนุภาคทั้งสอง;
• r ^ {\displaystyle {\hat {r}}} คือ เวกเตอร์หนึ่งหน่วย ซึ่งชี้จากอนุภาคตัวหนึ่งไปอีกตัว

ในระบบหน่วยเอสไอ หน่วยของแรงคือ นิวตัน, หน่วยของประจุคือคูลอมบ์, หน่วยของระยะทางคือเมตร ดังนั้น ϵ 0 {\displaystyle \epsilon _{0}} มีหน่วยเป็น C2/ (N·m2). ค่านี้ได้หาได้จากการทดลองโดยไม่มีทฤษฎีกำหนด

สมมุติว่าอนุภาคตัวหนึ่งอยู่นิ่ง และอนุภาคอีกตัวเป็น "ประจุทดสอบ" จากสมการด้านบนจะเห็นว่าแรงกระทำที่เกิดขึ้นบนประจุทดสอบนั้นแปรผันตรงกับขนาดของประจุทดสอบ นิยามของสนามไฟฟ้าคืออัตราส่วนคงที่ระหว่างขนาดของประจุและขนาดของแรงที่เกิดขึ้น คือ สูตร

F = q E {\displaystyle \mathbf {F} =q\mathbf {E} } E = 1 4 π ϵ 0 Q r 2 r ^ {\displaystyle \mathbf {E} ={\frac {1}{4\pi \epsilon _{0}}}{\frac {Q}{r^{2}}}\mathbf {\hat {r}} }

สมการนี้เป็นจริงเฉพาะในกรณีไฟฟ้าสถิต (คือกรณีที่ประจุไม่มีการเคลื่อนที่) เท่านั้น ถ้าพิจารณากรณีทั่วไปซึ่งประจุมีการเคลื่อนที่ด้วย สมการด้านบนจะต้องกลายเป็นสมการของลอเรนซ์