우주 물질의 약 85%를 차지하고 있는 것으로 보고 있는 암흑 물질은 가설상의 형태이다. 그것은 미발견의 어떤 아원자 입자들로 구성되어 있을 수 있다. 이 암흑 물질은 벡터장인 전기장과 자기장을 총칭하여 이르는 말인 전자기장과 상호 작용하지 않는 것처럼 보이기 때문에 암흑이라고 불리는데 이것은 전자기파를 흡수, 반사 또는 방출하지 않으므로 탐지하기 어렵다는 것을 의미하고 있다.
대부분의 암흑 물질은 비중 입자로 되어있다고 보고 있다. 비중 입자 암흑물질은 액시온, 비활성 중성미자, 약하게 상호작용하는 무거운 입자, 중력-상호 작용하는 무거운 입자, 초대칭 입자, 또는 지온 같은 가상 입자를 말한다. 이미 관찰된 세 가지 중성미자 유형들은 그야말로 풍부하면서 암흑인 물질이지만 개별 질량들이 아주 작기 때문에 그것들은 거대구조와 높은 적색편이 은하들로부터 파생된 한계로 인해 암흑 물질의 작은 부분만을 공급할 수 있다.
비중 입자 물질은 중입자 물질과는 달리 초기 우주의 원소들 형성에는 기여하지 않았으므로 그 존재는 중력 효과나 약한 중력렌즈 효과를 통해서만 드러난다고 한다. 또한 그것을 구성하는 입자들이 초대칭이라면 자기 자신과 쌍소멸 상호작용을 일으켜 감마선 및 중성미자들과 같은 관찰 가능한 부산물을 유발할 가능성이 있다고 한다.
암흑 물질에 대한 주요 증거로는 많은 은하들이 보이지 않는 물질을 많이 포함하지 않는다면 굉장히 다른 모습으로 행동했으리라는 것을 보여주는 것에서부터 나온다. 어떤 은하들은 전혀 형성이 되지 않았을 것이고 또 다른 것들은 현재처럼 움직이지 않았을 것이다.
만약 볼 수 있는 것보다 더 많은 물질이 존재하지 않는다면 현재 중력 이론으로는 설명할 수 없는 중력적 효과를 포함하는 관측들은 암흑 물질의 존재를 내포하고 있다. 이러한 이유로 인해 대부분의 전문가는 암흑 물질이 우주에 상당히 풍부한 편이고 그것의 구조와 진화에 강한 영향을 끼쳤다고 보고 있다.
현재까지 암흑 물질을 직접 관찰한 사람은 없었기 때문에 만약 암흑물질이 존재한다고 추정한다면 중력을 통하지 않고는 일반 중입자 물질 및 복사와 거의 상호 작용하지 않아야만 한다고 보고 있다. 암흑 물질의 주요 후보로는 아직 발견되지 않은 새로운 종류의 기본 입자, 약하게 상호 작용하는 무거운 입자다. 다른 가능성으로는 원시 블랙홀과 같은 블랙홀을 포함하고 있다고 보고 있다. 또한 암흑 물질은 속도에 따라서 차가운, 따뜻한, 뜨거운 것으로 범주를 나눌 수 있다. 이러한 범주는 실제 온도가 아닌 속도를 나타내며 초기 우주에서 해당 물체가 우주 팽창으로 인해 느려지기 전에 일정한 기준이나 원칙이 없는 움직임으로 인해 얼마나 이동했는지를 나타내는데 이 속도를 자유 스트리밍 길이라고 한다. 중요한 거리를 뜻하며 이 길이보다 작은 원시 밀도 요동은 입자가 밀도가 높은 영역에서 밀도가 낮은 영역으로 퍼지면서 씻겨 나가지만 더 큰 요동은 영향을 받지 않는다. 따라서 이 길이는 이후 구조 형성을 위한 최소 척도를 설정하고 있다. 또한 이 범주들은 한 원시은하의 크기와 관련하여 설정되는데 암흑물질 입자들은 FSL에 따라 차갑고 따뜻하거나 뜨겁게 분류된다고 한다. 1990년대 중반에 혼합 암흑물질 이론이 잠시 유행했었지만 암흑 에너지의 발견 이후에는 없어졌다고 한다. 현재 모형은 입자들이 점진적으로 축척에 의해서 차가운 암흑 물질의 표현을 더 선호하고 있다.
암흑 물질의 직접 탐지 실험들은 지구를 통과하는 암흑 물질 입자들과의 상호 작용에 의해 유도된 핵들의 저에너지 반동들을 관측하는 것을 목표로 하고 있다. 이러한 반동 이후에 핵은 민감한 탐지 장치를 통과할 때 섬광 또는 포논들의 형태로 방출한다. 여기서 섬광은 신틸레이터 라고 불리는 물질이 고에너지 광자의 여기 하에서 자외선 또는 가시광선을 방출하는 물리적인 과정을 뜻하며 음향양자라고도 불리는 포논은 결정격자의 양자화된 진동을 나타내는 준입자를 뜻하며 고체의 열과 전기 전도도 등에 중요한 역할을 하며 긴 파장의 포논은 음파를 생성하기도 한다. 이러한 것들을 효과적으로 수행하기 위해서는 극도로 낮은 배경을 변함없이 계속 유지하는 것이 중요하며 그것이 이러한 실험이 일반적으로 우주선들의 간섭이 최소화되는 깊은 지하에서 수행되고 있는 이유라고 한다. 직접적인 탐지뿐만 아니라 간접 탐지실험들은 우주 공간에서 암흑 물질 입자들의 자기 소멸 또는 붕괴의 산물을 검색한다. 예를 들어 높은 암흑 물질 밀도 지역에서는 두 개의 암흑 물질 입자들이 쌍 소멸하여 감마선이나 표준 모형 입자-반입자 쌍들을 생성할 수 있다. 대안적으로 만일 한 암흑 물질 입자가 불안정하다면 표준 모형 입자로 붕괴할 수 있다. 이러한 과정은 우리은하나 다른 곳의 고밀도 지역에서 나오는 과도한 감마선, 반양성자들 또는 양전자를 통해 간접적으로 감지할 수 있다. 태양이나 지구를 통과하는 암흑 물질 입자 중 일부는 원자들을 흩어버리고 에너지 또한 잃을 수 있다고 한다. 따라서 암흑 물질은 이러한 천체의 중심에 축적이 되어 충돌과 쌍소멸의 가능성을 높일 수 있다. 이것은 고에너지 중성미자들의 형태로 독특한 신호를 생성할 수 있는데 이러한 신호는 WIMP 암흑 물질의 강력한 간접적 증거가 될 것이다. 대안적인 가설로는 암흑 물질이 아직 밝혀지지 않았기 때문에 암흑 물질이 설명하기 위해 고안된 관측상 현상들을 설명하기 위한 다른 많은 가설이 등장했는데 가장 일반적인 방법으로는 일반 상대성이론을 수정하는 것이다. 일반 상대성이론은 태양계 규모에서의 테스트는 잘 이루어졌으나 은하계 또는 우주론적 척도에 대한 타당성은 잘 입증되지는 않고 있다고 한다. 대안 가설들의 문제점으로는 암흑 물질에 대한 관측상 증거가 많은 독립적인 접근 방식들에서 나온다는 것이다. 개별 관측을 설명하는 것은 가능하지만 암흑 물질이 없는 상태에서 모든 관측을 설명하는 것은 상당히 어려운 상황이다.