Η σκοτεινή ύλη αποτελεί ένα από τα παράξενα φαινόμενα που απασχολεί την επιστήμη και δεν μπορούν να εξηγηθούν. Μελετάται από τις επιστήμες της αστρονομίας και της κοσμολογίας. Πρόκειται για έναν μη ορατό υποθετικό τύπο ύλης στη συνολική μάζα του σύμπαντος. Δεν μπορεί να ανιχνευθεί ούτε από τηλεσκόπια. Βασίζεται στις βαρυτικές επιδράσεις στην ορατή ύλη, στην ακτινοβολία και στην δομή του σύμπαντος. Σύμφωνα με τη θεωρία της Standard Model of Cosmology το σύμπαν αποτελείται από 4,9% συνηθισμένη ύλη, 26,8% σκοτεινή ύλη και 68,3% σκοτεινή ενέργεια.
Η σκοτεινή ύλη εντοπίζεται στα βαρυτικά αποτελέσματα σε ορατή ύλη των αστέρων και των γαλαξιών. Προσπαθεί να εξηγήσει θεωρίες που δεν συμφωνούν με τη βαρύτητα, διότι παρουσιάζονται μεγαλύτερες ανωμαλίες ταχυτήτων περιστροφής αστέρων. Η ύπαρξη της σκοτεινής ύλης λύνει πολλά προβλήματα και αμφιβολίες για το Big Bang. Ουσιαστικά πρόκειται για μια χαμένη μάζα που τις βαρυτικές ιδιότητες.
Οι πρώτες παρατηρήσεις έγιναν το 1933 από τον Fritz Zwicky που μελέτησε την κίνηση των μακρινών σμηνών γαλαξιών μεγάλης μάζας. Αργότερα την δεκαετία του ’70 οι επιστήμονες απασχολήθηκαν πιο συστηματικά. Βρήκαν συνοχή με τις καμπύλες περιστροφής σπειροειδών γαλαξιών, δηλαδή ένας τεράστιος αριθμός αστέρων που κάνουν τροχιές γύρω από το γαλαξιακό κέντρο. Όμως παρατηρήθηκε ότι οι αστέρες κάνουν μεγαλύτερες γαλαξιακές τροχιές και μικρότερες τροχιακές ταχύτητες ως επακόλουθο του τρίτου νόμου του Κέμπλερ. Ισχύει μόνο σε αστέρες που περιστρέφονται στην περιφέρεια σπειροειδούς γαλαξία και με σταθερή μάζα. Έπειτα αποδείχθηκε ότι δεν ευθύνεται ο τρίτος νόμος του Κέμπλερ σε τέτοιες περιπτώσεις. Διαπιστώθηκε ότι οι τροχιακές ταχύτητες παραμένουν σταθερές και η τροχιά μεγάλης ακτίνας αυξάνεται. Τον Φεβρουάριο 2016 ανακαλύφθηκαν τα βαρυτικά κύματα που αποτέλεσε την μεγαλύτερη ανακάλυψη του αιώνα. Έγινε η παρατήρηση αντικειμένων που δεν εκπέμπουν φως όπως οι μαύρες τρύπες και η σκοτεινή ύλη. Δεν χρησιμοποιούν φως ή ακτινοβολία.
Η μορφή που μπορεί να πάρει τη σκοτεινή ύλη είναι μεγάλοι πλανήτες ή νεκροί αστέρες από πρωτόνια και νετρόνια. Η σκοτεινή ύλη έχει ασθενείς αλληλεπιδράσεις και για αυτό δεν μπορεί να παρατηρηθεί. Επίσης μπορεί να πάρει τη μορφή σωματιδίων. Σύμφωνα με την «υπερσυμμετρία» συνδέει τα σωματίδια της ύλης με σωματίδια φορείς δυνάμεων και υποδεικνύει την ύπαρξη βαρέων υπερσωματιδίων.