Trots detta är det inte direkt observerbart genom några kända metoder för detektion. Detta beror på att mörk materia inte avger eller interagerar med elektromagnetisk strålning, som ljus, vilket gör den extremt svår att upptäcka. Istället härleds dess existens och egenskaper från dess gravitationseffekter på synlig materia, strålning och universums storskaliga struktur.

Till exempel antyder rörelsen hos galaxer inom kluster och de observerade rotationshastigheterna för galaxer att det måste finnas mycket mer massa närvarande än vad vi kan se. Diskrepansen mellan den beräknade massan och den observerade massan kan förklaras av närvaron av mörk materia. De observerade gravitationseffekterna kan inte förklaras av de accepterade teorierna om gravitation om det inte finns betydligt mer materia närvarande än vi kan se.

Dessutom ger Cosmic Microwave Background (CMB) också bevis för mörk materia. Små fluktuationer i CMB:s temperatur indikerar regioner med olika densitet i det tidiga universum, som senare utvecklades till den storskaliga strukturen vi ser idag. Utan mörk materia skulle det inte ha funnits tillräckligt med massa i universum för att strukturer som galaxer och galaxhopar skulle bildas.

Den exakta sammansättningen av mörk materia är fortfarande okänd. Många forskare tror att mörk materia kan bestå av oupptäckta subatomära partiklar, medan andra tror att den kan vara gjord av makroskopiska föremål, som svarta hål. Trots många okända är studiet av mörk materia en avgörande aspekt av aktuell astrofysisk forskning.