茫茫宇宙中，天体之间相互作用，各自进行着各种各样的轨道运动。科学家可以根据已知的天体力学理论，通过周围天体的质量和特点来解释大部分天体运动的规律，但也有一些运动却找不到与可能产生这种运动的作用相对应的天体。难道在宇宙中有一种我们看不见的东西在暗地里影响恒星的运动吗？
20世纪30年代初，荷兰天文学家奥尔特首次提出，为了说明恒星的运动，需要假定在银河系中存在与发光物质几乎同等数量的我们看不见的暗物质。美国加州理工学院科学家兹威基推测，后发座星系团内可能蕴藏着大团不发光的暗物质。虽然我们无法直接观测到暗物质，但能够根据它们对其他可见天体发出的光和引力的干扰间接证明它们的存在。不过，许多人并不相信兹威基的说法，更多的则是半信半疑。直到1978年，美国普林斯顿大学的天文学家提出了一个更令人信服的证据，即根据旋涡星系M31（也称“仙女星系”）外旋臂的转动速度揭示出暗物质的存在。
2000年，美国天文学家发现了“暗星系”VIRGOHI21.该暗星系中不包含任何普通天体，是完全由纯暗物质构成的星系，质量约为1041kg，相当于太阳的10亿倍。它距离我们约5000万光年，如果是普通星系的话，只需用普通望远镜就可以观测到。
2003年，一个国际联合科研小组利用哈勃太空望远镜对距离地球45亿光年的CL0024+1654星系团进行观测，推算出这个范围达2000万光年的星系团中质量及暗物质的分布情况，成功绘制出第一幅详细的星系团暗物质分布图。
根据现代宇宙学理论，所有星系都是由宇宙早期的气体由于引力的作用凝聚而成的。科学家们在对可观测到的宇宙物质总量进行仔细计算后发现，这些物质的质量太少了，它们之间的引力远不足以形成今天如此众多的可见星系和宇宙的膨胀速度；除非将暗物质考虑在内。也就是说，由暗物质率先形成团块结构，然后在暗物质团块引力的帮助下，气体才可能形成恒星和星系。
目前观测到的恒星等天体物质只相当于宇宙中物质总量的0.4%，即使加上星系中的气体也只有4%左右，其余23%是暗物质，另外73%是暗能量。科学家根据大爆炸的暴涨模型以及近年来对宇宙微波背景辐射的研究，推算出整个宇宙范围内的平均物质密度大约为5×10-27kg/m3，而目前观测到的宇宙中的恒星等物质总量只相当于这一物质密度的0.4%，即使加上星系中的气体也只相当于这一密度的4%左右，其余23%都是暗物质。另外仍有73%的不明短缺物质，科学家们称之为“暗能量”，其基本特征是具有负压强，在宇宙空间中几乎均匀分布。
中微子是一种公认的热暗物质，它们来无影，去无踪，穿行于宇宙各处。虽然单个中微子的质量很小，几乎等于零，但科学家发现在每立方米的空间内约有360亿个中微子，因而它们的总质量要比所有已知星系质量的总和还要大，但中微子也只是暗物质中的极小部分。
暗物质与暗能量是目前宇宙学研究的重大前沿课题，科学家对这类新型物质的探索才刚刚开始。
天文学家通过哈勃太空望远镜，首次观测到星系图CL0024+17有一个由暗物质所形成的环，这是该星系团在10亿至20亿年前与另一星系团猛烈相撞时，由于暗物质除了与引力发生作用外，完全不与其他物质作用而形成的与可见物质对比明显不同的暗物质环。