Donkere materie is materie die niet zichtbaar is met optische middelen en ook niet detecteerbaar via de elektromagnetische straling die ons op aarde bereikt. Daarom wordt zij donkere materie genoemd, in tegenstelling tot de zichtbare materie.

De hoeveelheid materie die astronomen kunnen zien, heeft niet genoeg massa om de waargenomen bewegingen van sterren en sterrenstelsels te kunnen verklaren. Om deze bewegingen met de bestaande zwaartekrachtswetten en de relativiteitstheorie te kunnen verklaren, veronderstelt men dat er extra materie aanwezig is die men niet kan detecteren: donkere materie.

In de jaren dertig zagen astronomen ver verwijderde sterrenstelsels ronddraaien met snelheden die wel tien tot honderd keer hoger lagen dan wat werd verwacht aan de hand van de waargenomen massa. Er ontbrak dus massa. De hoop van de astronomen in die tijd was gevestigd op betere waarnemingen door meer geavanceerde telescopen. Maar met betere telescopen werd geen extra massa ontdekt.

Rond 1978 deden de Amerikaanse sterrenkundigen Vera Rubin en Kent Ford snelheidsmetingen op afgeplatte spiraalstelsels, zoals ons eigen melkwegstelsel. Deze snelheidsmetingen werden uitgevoerd aan wolken waterstofgas, die zichtbaar zijn in de verste buitendelen van het spiraalstelsel, waar vrijwel geen sterlicht geproduceerd wordt.

Bij elliptische stelsels kon deze meetmethode niet worden toegepast, omdat hierin vrijwel geen gas voorkomt. Met behulp van de gravitatiewetten werd met de gemeten rotatiesnelheid van de afgeplatte stelsels de benodigde massa berekend. Deze massa was veel groter dan de massa aanwezig in de zichtbare sterren en gaswolken. De buitengebieden van de spiraalstelsels draaiden sneller rond dan verwacht met de bekende massa. Er moest dus een sterker zwaartekrachtsveld zijn. Hiervoor werd hypothetisch aangenomen dat er onzichtbare massa aanwezig was in de sterrenstelsels, welke donkere materie genoemd werd omdat ze niet zichtbaar is.

Het ontbreken van zware massa in elliptische sterrenstelsels en een mogelijke alternatieve verklaring van de afwijkende gravitatiewet door een aanpassing van die wet voor verre afstanden, geven aan dat de theorie van de donkere materie niet de enige mogelijke verklaring is voor de afwijkende rotatiesnelheid.

Donkere materie zou een hypothetische verklaring kunnen zijn voor de bewegingssnelheid van sommige sterrenstelsels, als die onzichtbare materie aan de volgende eigenschappen voldoet:
- Het heeft massa.
- Het bevindt zich in grote hoeveelheden in bepaalde sterrenstelsels in het heelal.
- Het is niet zichtbaar, of anderszins detecteerbaar, via de elektromagnetische straling die ons op aarde bereikt.

Donkere materie is ook de oplossing voor bepaalde inconsistenties in de theorie van de oerknal. Metingen met de WMAP brachten aan het licht dat bijna een kwart van de massa van het heelal donkere materie is, dat is veel meer dan de 'gewone' zichtbare materie. Het verklaren van de aard van donkere materie is een van de grote problemen van de kosmologie. Een mogelijke hypothese is het bestaan van deeltjes die slechts zwak met hun omgeving interactie hebben, de WIMP deeltjes.

In april 2002 presenteerde een Europees team van astronomen verrassend nieuws op de Brits-Ierse National Astronomy Meeting in Dublin: elliptische sterrenstelsels lijken geen donkere materie te bevatten. Deze ontdekking was mogelijk door een nieuwe meettechniek, de Planetaire Nevel Spectrograaf waarbij gebruik werd gemaakt van planetaire nevels in plaats van waterstofgas. Een verklaring voor deze waarneming is er nog niet. Misschien hebben elliptische sterrenstelsels een andere ontstaansgeschiedenis dan spiraalstelsels. Of misschien is de donkere materie verdwenen door de wisselwerking met andere stelsels.

Er is dus een dubbel mysterie:
- Wat is de aard van donkere materie in spiraalstelsels?
- Waarom is er geen donkere materie in elliptische stelsels?

Men veronderstelt dat de meeste massa van het universum bestaat uit donkere massa. Het bepalen van de aard van die donkere massa is bekend als 'het donkere materie probleem' of 'het probleem van de ontbrekende massa'. Het is één van de belangrijkste problemen van de moderne kosmologie.

Met de graviteittheorie en nieuwe computeranalyses hebben astronomen bepaald waar de donkere materie zich zou moeten bevinden. Er zou zeven maal zoveel donkere materie zijn als zichtbare materie. Dit is slechts een vierde van wat nodig is om de expansie van het universum te stoppen. Sterrenkundigen hebben in 2007 met behulp van de COSMOS-survey voor het eerst een driedimensionale kaart van het heelal gemaakt, die inzicht geeft in de verdeling van donkere materie.

Het meest algemene standpunt is dat donkere materie bestaat uit elementaire deeltjes. Niet de gangbare elektronen, protonen en neutronen, maar neutrinos, axionen of hypothetische deeltjes gekend als zwak-interactieve massieve deeltjes (de weakly interacting massive particles: WIMPs). Of misschien is het een nog exotischere vorm van materie, zoals de 'neutralino's' (schaduw-deeltje van het neutrino in zeer ingewikkelde theorieën met supersymmetrie).

Een alternatieve mogelijkheid om de gravitatiekrachten in sterrenstelsels te verklaren is te veronderstellen dat de gravitatiekrachten in sterrenstelsels groter zijn dan de Newtoniaanse, bij grote afstanden. Dit kan men doen door een negatieve constante te veronderstellen voor de kosmologische constante (deze waarde wordt verondersteld positief te zijn op basis van recente observaties). Een andere mogelijkheid is een veranderende Newtoniaanse dynamica te veronderstellen. Een benadering, voorgesteld door Finzi (1963) en opnieuw door Sanders (1984), is de zwaartekrachtspotentiaal anders te formuleren.

Op basis van al deze benaderingen blijken de verschillende gedragingen van de verschillende melkwegstelsels en clusters echter moeilijk te verklaren, terwijl deze makkelijk beschrijfbaar zijn door verschillende hoeveelheden donkere materie te veronderstellen. Gegevens van de rotatiecurven van melkwegstelsels geven aan dat ongeveer negentig procent van de massa van een melkwegstelsel onzichtbaar is en alleen ontdekt kan worden door het effect dat het op de zwaartekracht heeft.

Men veronderstelt dat er verschillende soorten donkere materie zijn:
- Baryonische donkere materie
- Koude donkere materie
- Hete donkere materie

Hete donkere materie bestaat uit deeltjes die bewegen met snelheden dicht tegen de lichtsnelheid. Het neutrino komt het beste in aanmerking voor hete donkere materie. Neutrino's hebben een verwaarloosbare massa, hebben geen invloed op het elektromagnetisme of op de sterke nucleaire kracht en zijn dus ongelooflijk moeilijk te detecteren. Hete donkere materie kan echter niet verklaren hoe individuele melkwegstelsels gevormd werden vanuit de Big Bang. Om de structuur op kleine schaal van het universum te verklaren was het noodzakelijk om ook koude donkere materie in te voeren. Hete donkere materie wordt daarom steeds besproken als een deel van een gemengde donkere materie theorie.

Grafische voorstelling van donkere materie rondom een spiraalstelsel.