Tämä johtuu siitä, että pimeä aine ei lähetä tai ole vuorovaikutuksessa sähkömagneettisen säteilyn, kuten valon, kanssa, mikä tekee sen havaitsemisen erittäin vaikeaksi. Sen sijaan sen olemassaolo ja ominaisuudet päätellään sen gravitaatiovaikutuksista näkyvään aineeseen, säteilyyn ja maailmankaikkeuden laajamittaiseen rakenteeseen.

Esimerkiksi galaksien liike klustereissa ja havaitut galaksien pyörimisnopeudet viittaavat siihen, että massaa on oltava paljon enemmän kuin mitä voimme nähdä. Lasketun massan ja havaitun massan välinen ero voidaan selittää pimeän aineen läsnäololla. Havaittuja gravitaatiovaikutuksia ei voida selittää hyväksytyillä painovoimateorioilla, ellei ainetta ole huomattavasti enemmän kuin voimme nähdä.

Lisäksi Cosmic Microwave Background (CMB) tarjoaa myös todisteita pimeästä aineesta. Pienet vaihtelut CMB:n lämpötilassa osoittavat eri tiheydellä olevia alueita varhaisessa universumissa, joka myöhemmin kehittyi laajamittaiseksi rakenteeksi, jonka näemme nykyään. Ilman pimeää ainetta maailmankaikkeudessa ei olisi ollut tarpeeksi massaa galaksien ja galaksiklustereiden kaltaisten rakenteiden muodostumiseen.

Pimeän aineen tarkkaa koostumusta ei vielä tiedetä. Monet tutkijat uskovat, että pimeä aine voi koostua löytämättömistä subatomisista hiukkasista, kun taas toiset uskovat, että se voi koostua makroskooppisista esineistä, kuten mustista aukoista. Monista tuntemattomista asioista huolimatta pimeän aineen tutkimus on keskeinen osa nykyistä astrofysiikasta tutkimusta.