現代天文學通過天體的運動、牛頓萬有引力的現象、引力透鏡效應、宇宙的大尺度結構的形成、微波背景輻射等觀測結果表明暗物質可能大量存在於星系、星團及宇宙中，其質量遠大於宇宙中全部可見天體的質量總和。
結合宇宙中微波背景輻射各向異性觀測和標準宇宙學模型（ΛCDM模型）可確定宇宙中暗物質占全部物質總質量的85%、占宇宙總質能的26.8%。被廣泛接受的理論認為，組成暗物質的是“弱相互作用有質量粒子”（weaklyinteractingmassiveparticle,WIMP）。
最早提出“暗物質”可能存在的是天文學家卡普坦（JacobusKapteyn），他於1922年提出可以通過星體系統的運動間接推斷出星體周圍可能存在的不可見物質。1932年，天文學家奧爾特（JanOort）對太陽系附近星體運動進行了暗物質研究。然而未能得出暗物質存在的確鑿結論。1933年，天體物理學家茲威基（FritzZwicky）利用光譜紅移測量了後發座星系團中各個星系相對於星系團的運動速度。