Ciemna materia zwana także brakującą masą buduje 90% Wszechświata; niestety co do jej składu i konsystencji wciąż naukowcy nie są pewni, pomimo istnienia olbrzymiej ilości teorii na ten temat. Taka materia nie odbija ani nie emituje żadnego promieniowania i dlatego zaobserwować możemy ją tylko przez jej wpływ grawitacyjny. W istocie dzięki niej większość galaktyk i gromad galaktyk wciąż się trzyma jako jedność.
W latach 30-stych astronomowie Jan Oort i Fritz Zwicky badali ruchy gwiazd w Drodze Mlecznej i galaktyk w Warkoczu Bereniki. Wyniki doprowadziły ich do wniosku, że większość materii Wszechświata jest niewidoczna. Po kolejnych 25 latach astronomowie na nowo zaczęli interesować się tym problemem i teraz poszukują ciemnej materii. Zliczają masę źródeł energii i porównują ją do masy tych samych obiektów, wyznaczoną przy pomocy pomiaru prędkości obiegowych, soczewkowania grawitacyjnego, czy pomiaru temperatury gazów. Dalsze obserwacje pokazały gdzie i ile jest brakującej masy, a powstałe w XX wieku teorie (np. teoria inflacji) i pomiary promieniowania reliktowego utwierdziły przekonanie o istnieniu ciemnej materii.
Ciemna materia występować może pod postacią barionową lub niebarionową. Z różnych teorii (np. pierwotnej nukleosyntezy) wynika następująca konfiguracja materii: barionowa może stanowić 20% materii potrzebnej do zamknięcia wszechświata (w tym widoczna max. 10%), niebarionowa natomiast aż 80%. Parametry te podać można w postaci współczynnika omega. Jest to stosunek średniej gęstości materii do gęstości krytycznej, czyli gęstości wymaganej do zatrzymania ekspansji Wszechświata.
Barionowa ciemna materia (np. MACHO) istnieje w formie ciał niebieskich od asteroid poprzez planety, karłowate gwiazdy, po czarne dziury. Obecność we Wszechświecie tych obiektów została potwierdzona dzięki wielu programom badawczym.
Niebarionową ciemną materię stanowią cząstki elementarne podzielone na cząstki zimne i ciepłe, ze względu na prędkości, z jakimi poruszały się w chwili oddzielenia się od materii barionowej w młodym Wszechświecie. Do ciepłej ciemnej materii niebarionowej zaliczają się np. neutrina. Do niedawna uważano, że nie posiadają one masy. Ostatnie eksperymenty wykazały jednak, że, choć niewielką, neutrina obdarzone są masą. Cechą charakterystyczną neutrin (jak również innych niebarionowych cząstek) jest ich przenikliwość, czyli brak skłonności do częstego oddziaływania z materią inaczej niż grawitacyjnie.
Cząstkami zimnymi są takie WIMPy jak neutralina, które mają dużą (jak na cząstki elementarne) masę. Podobnymi cząstkami są aksjony.
Ważnym parametrem wszystkich niebarionowych cząstek jest ich masa. Nawet niewielka masa jednego rodzaju cząstek może zadecydować o losie Wszechświata, dlatego z bardzo dużym zapałem prowadzone są poszukiwania tych cząstek. Generalnie, wszystkie projekty polegają na czekaniu, aż poszukiwana cząstka uderzy w detektor. Detektorem takim może być na przykład zbiornik z wodą, kryształ krzemu lub germanu.
