Der Ausgangspunkt dieser Theorien ist die Beobachtung, dass die Bewegung der Materie im Universum nicht den erwarteten Gesetzmäßigkeiten gehorcht. Die Abweichungen von den Erwartungen tritt allerdings erst bei sehr großen Strukturen (Sternhaufen, Galaxien und größer) auf.

Als erster beobachtete Fritz Zwicky 1933, dass der Coma-Haufen (ein Galaxienhaufen, bestehend aus 800 Einzelgalaxien, mit großer Streuung der Einzelgeschwindigkeiten und einer mittleren Entfernungsgeschwindigkeit von uns von 7.500 km/s) nicht durch die Gravitationswirkung seiner sichtbaren Bestandteile (im wesentlichen der Sterne der Galaxien) zusammengehalten wird. Er stellte fest, dass das 400-fache der sichtbaren Masse notwendig ist, um den Haufen gravitationell zusammenzuhalten. Seine Hypothese, dass diese fehlende Masse in Form dunkler Materie vorliege, stieß in der Fachwelt auf breite Ablehnung.

Die Analyse der Umlaufgeschwindigkeiten von Sternen in Spiralgalaxien durch Vera Rubin seit 1960 zeigte erneut die Problematik auf. Seitdem wurde die dunkle Materie ernstgenommen und aufgrund detaillierter Beobachtungen in fast allen großen astronomischen Systemen vermutet.

Dunkle Materie wird heute in verschiedenen Formen postuliert.

MACHOs (Massive Compact Halo Objects, dt. Massive kompakte Halo-Objekte)

Wimps (Weakly Interacting Massive Particles, dt. Schwach wechselwirkende massive Teilchen)

Theorien, die von der Existenz von MACHOs ausgehen, stehen in teilweisem Widerspruch zur Theorie des Urknall. Daher geht man heute davon aus, dass MACHOs nur einen kleinen Teil der dunklen Materie ausmachen.

Ebenso sind auf Wimps basierende Theorien nicht zufriedenstellend, da unklar ist, wie diese schwach wechselwirkenden Teilchen es schaffen, an die Galaxien gebunden zu bleiben, und nicht zu entweichen. Daher werden 'kalte' (d.h. sich langsam bewegende) oder 'warme' (d.h. sich schneller bewegende) Wimps unterschieden.

Alternative Erklärungsversuche

Alle obigen Erklärungsansätze nehmen implizit an, dass die Gravitation dem Newtonschen Gravitationsgesetz bzw. der allgemeinen Relativitätstheorie gehorcht.

Die MOND-Hypothese (Modifizierte Newtonsche Dynamik) wird von einer Minderheit von Astronomen als Alternative zur Dunklen Materie vorgeschlagen. In ihr wird postuliert, dass die Äquivalenz von träger Masse und schwerer Masse bei extrem kleinen Beschleunigungen nicht mehr gelte.