暗物质一词最早由J.C.卡普坦在1922年提出，用以指利用引力效应，通过观测星体的运动间接推断出其周围可能存在的不可见物质。

卡普坦和J.H.金斯在1922年，以及J.H.奥尔特在1932对太阳系附近星体运动的研究未能发现暗物质存在的确凿依据。

1933年F.兹威基利用光谱红移测量后发座星系团中各个星系相对于星系团的运动速度。发现它们的速度弥散度太高，仅靠星系团中可见星系的质量产生的引力是无法将其束缚在星系团内的。因此星系团中应该存在大量的暗物质。其质量为可见星系的至少百倍以上。S.史密斯在1936年对室女座星系团的观测也支持这一结论。不过这一突破性的结论在当时未能引起学术界的重视。

1939年H.W.巴布科克通过研究仙女座大星云的光谱，显示星系外围的区域中星体的旋转运动速度远比通过开普勒定律预期的要大。对应于较大的质光比，这暗示着该星系中可能存在大量的暗物质。1940年奥尔特对星系NGC3115外围区域星体运动速度的研究，指出其总质光比可达250。1959年F.D.卡纳恩和L.沃尔特耶研究彼此吸引的仙女座大星云和银河系之间的相对运动，通过研究它们靠近的速度和彼此间的距离，推论出人类所处的本星系团中的暗物质比可见物质的质量约大十倍。

暗物质存在的一个重要证据来自于1970年V.C.卢宾和W.K.福特对仙女座大星云中星体旋转速度的研究。利用高精度的光谱测量技术，可以探测到远离星系核区域的外围星体绕星系旋转速度和距离的关系。按照牛顿万有引力定律，如果星系的质量主要集中在星系核区的可见星体上，星系外围的星体的速度将随着距离而减小。但观测结果表明，在相当大的范围内星系外围的星体的速度是恒定的。这意味着或者牛顿万有引力定律是不正确的，或者星系中有大量的不可见物质并不分布在星系核心区，且其质量远大于发光星体的质量总和。1973年M.S.罗伯茨和A.H.罗梯斯运用21厘米特征谱线观测技术探测仙女座大星云外围气体的速度分布，也从另一角度证实了这一结论。暗物质存在这一推论逐渐被天文学界广泛认可。虽然通过修改牛顿或爱因斯坦引力理论也是一种可能的途径，但这一方法仍离统一解释全部的观测事实还有很长距离。

星系团中普遍存在能发射出X射线的炽热气体，当气体在星系团引力场中达到流体力学平衡后，可通过其温度推测出星系团的质量。大量的星系团X射线观测数据表明星系团质量远大于其中发光部分的贡献。暗物质虽不可见，但其存在可通过其引力透镜效应改变背景星系团的影像显现出来。通过对强弱引力透镜效应的研究，发现星系团中大量暗物质存在的证据。利用弱引力透镜效应，还发现超大星系团中也存在暗物质。这些结论和通过X射线观测得到的结论保持一致。在宇宙尺度上，通过对宇宙中微波背景辐射各向异性的精细观测，可确定出宇宙中暗物质的总量。观测表明，宇宙总能量的27%由暗物质贡献，构成天体和星际气体的常规物质只占5%，其余为推动宇宙加速膨胀的暗能量。

暗物质的存在已经得到了广泛的认同，然而对暗物质属性了解很少。已知的暗物质属性仅包括有限的几个方面：暗物质应是有质量的，参与引力相互作用，但单个暗物质粒子的质量大小还很不确定；暗物质应是高度稳定的，由于在宇宙结构形成的不同阶段都存在暗物质的证据，暗物质应该在宇宙年龄时间尺度上是稳定的；暗物质基本不参与电磁相互作用，与光子的相互作用必须非常弱，以至于暗物质基本不发光；数值模拟表明暗物质的运动速度应该是远低于光速，否则我们的宇宙无法在引力作用下形成大尺度结构；暗物质不可能是常规致密天体。微引力透镜的巡天观测研究显示，宇宙中不发光的致密天体的总量是很小的。更重要的是，暗物质不应是重子物质，即不是由质子和中子构成的。因为宇宙中重子物质的总量是确定的，可由原初核合成理论计算得出，并和观测很好地符合。因此如此大量的暗物质不可能来自重子物质。人类已知的物质世界几乎全部由重子物质构成。相比而言，暗物质是一种完全未知的新的物质类型。

暗物质的存在是对描述物质结构及其相互作用规律极其成功的粒子物理标准模型的明确挑战。粒子物理标准模型中只有中微子有可能是暗物质粒子。但从早期宇宙中热退耦出来的中微子是几乎以光速运动的，与暗物质低速运动的特征不相符合，并且其数量无法成为暗物质的主要组成部分。标准模型中没有合适的暗物质候选者，这表明当前的标准模型还不是一个统一描述物质世界的完备理论。

如果暗物质与常规物质存在微弱的相互作用，其丰度可能是来源于热力学退耦的剩余丰度。研究表明，如果暗物质的相互作用强度和质量在电弱相互作用能标附近，则可自然解释宇宙中的暗物质丰度。这一类候选者通常被称为弱相互作用的有质量粒子（WIMP）。很多超出标准模型的新物理理论模型中都预言存在这类粒子。典型的候选者是超对称理论中最轻的超对称粒子。当然不起源于热退耦的非WIMP类型的暗物质也是有可能存在的，如与强相互作用中电荷共轭-宇称反演联合对称性破缺相联系的轴子。

若暗物质与常规重子物质有微弱的相互作用，则有可能通过实验室手段探测暗物质的粒子属性。除了天文观测，暗物质的实验探测手段大致有三个途径：一是通过宇宙星系中暗物质的湮没或微衰变产生的次级粒子，如正负电子、正反质子、中微子、光子等进行探测；二是在深部地下实验室的低辐射本底环境下探测暗物质与原子核的可能的碰撞散射过程；三是在高能对撞机上直接产生出暗物质粒子并进行探测。对于轴子类型的暗物质，可通过其在强磁场中光子的产生进行探测。