Es una forma de materia hipotética y exótica cuya existencia podría explicar varias observaciones astronómicas, astrofísicas y cosmológicas. La materia oscura compone el 85 % de la materia total del universo, de la cual, el 15 % corresponde a materia común (que se encuentra en forma de estrellas, planetas, gas, polvo, asteroides, etc.). La materia oscura es prácticamente invisible pero su presencia puede detectarse indirectamente mediante los jalones gravitacionales que ésta, en virtud de su masa, ejerce sobre la luz y la materia común. La dificultad de su detección se debe a que la materia oscura, a diferencia de la materia común, no siente la acción de las fuerzas fundamentales de la naturaleza descritas por el Modelo Estándar de las partículas elementales, y si lo hace, el efecto que tienen dichas interacciones sobre ella son despreciables. De esta forma la materia oscura no puede interaccionar con la luz, ni con campos eléctricos ni magnéticos, mucho menos decaer mediante una interacción débil (responsable de algunos decaimientos radioactivos) o ser afectada por la interacción fuerte (en virtud de la cual se forman los núcleos atómicos). Como consecuencia, la materia oscura atraviesa, sin afectar, a la materia común.
Dada su abundancia y la influencia gravitacional que la materia oscura ejerce sobre la materia común, su presencia en el universo ha sido un factor clave en la formación y evolución de las estructuras a gran escala del universo como son: las galaxias, los cúmulos de galaxias y los supercúmulos galácticos. Se cree que al inicio del universo, las primeras aglomeraciones de materia oscura dieron lugar a las semillas primordiales de las cuales se formarían las estructuras a gran escala que observamos en el cosmos.
La materia oscura también juega un papel relevante en la evolución del universo e influye en la geometría del mismo. De acuerdo a la teoría de la relatividad General de Einstein, la geometría del universo depende de la densidad de energía total que se halla en él. Las observaciones cosmológicas parecen indicar que, actualmente, la materia oscura y la materia común contribuyen con aproximadamente una tercera parte a la densidad de energía total del universo. El resto proviene de otra componente desconocida denominada energía oscura. Se estima que el valor de la densidad de energía oscura y de materia en el cosmos es tal que se tiene como resultado un universo plano.
Según algunas teorías que involucran nueva física, la materia oscura está formada por una nueva clase de partículas que no interaccionarían de forma apreciable entre ellas mismas ni con las partículas que componen a la materia común. Serían, por tanto, inmunes a las interacciones elementales ya conocidas del Modelo Estándar, pero podrían sentir la influencia de nuevas interacciones mucho muy débiles que han escapado por el momento a las observaciones experimentales. Estas nuevas interacciones podrían dar lugar a que en algunas raras ocasiones la partículas de materia oscura se aniquilaran unas con otras o que se desintegraran emitiendo señales de rayos gamma, de antipartículas o de rayos cósmicos de altas energías en el proceso. Búsquedas de estas señales se están llevando a cabo por el momento por diferentes observatorios, telescopios y detectores espaciales como el Fermi-LAT y el AMS, este último a bordo de la estación espacial internacional. Dichas interacciones también podrían permitir que de vez en cuando, una que otra partícula de materia oscura colisionara con la materia común depositando en ella algo de su energía en el proceso. Actualmente, diferentes colaboraciones de científicos alrededor del mundo se encuentran a la caza de estas colisiones con diferentes detectores y técnicas experimentales. LUX, localizado en Estados Unidos, es el detector más reciente y más sensible que ha entrado en operaciones para este fin. Finalmente, mediante estas nuevas interacciones también podría suceder que en las colisiones de haces de partículas de altas energías, como las producidas en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN (el acelerador de partículas más poderoso alrededor del mundo), pudieran producirse partículas de materia oscura. Al momento, los científicos del LHC están buscando cuidadosamente señales entre sus datos que pudieran indicar la presencia de partículas de materia oscura en los restos de las colisiones ya registradas.
Por el momento existen muchas especulaciones sobre la naturaleza de la materia oscura, más aún, prevalece todavía cierto ambiente de escepticismo sobre su existencia entre algunos científicos. Al final, son los resultados de los experimentos y las observaciones del universo los que tendrán la última palabra.