Con materia oscura si definisce un'ipotetica componente di materia non direttamente osservabile, in quanto, diversamente dalla materia conosciuta, non emetterebbe radiazione elettromagnetica e si manifesterebbe unicamente attraverso gli effetti gravitazionali. Per giustificare diverse osservazioni sperimentali, che sarebbero altrimenti in discrepanza con le attuali leggi della gravitazione, la materia oscura dovrebbe costituire la grandissima parte, quasi il 90%, della massa presente nell'universo. Stima della distribuzione della massa-energia nell'universo (rilevazioni del 2013): Energia oscura, Materia oscura, Materia conosciuta Nonostante dettagliate mappe dell'Universo vicino, che coprono lo spettro elettromagnetico dalle onde radio ai raggi gamma, si è riusciti a individuare solo circa il 10% della massa che risulterebbe dagli effetti gravitazionali osservabili. Le più recenti misure indicano che la materia oscura costituirebbe circa l'86% della massa dell'universo e circa il 27% della sua energia. Inizialmente veniva indicata come "massa mancante", termine che può essere fuorviante dato che ne apparirebbero osservabili gli effetti gravitazionali; gli strumenti di analisi spettroscopica non rilevano però la radiazione elettromagnetica di tale materia, dal che l'aggettivo "oscura" poiché a mancare sarebbe solo la sua "luce".
Va precisato che il concetto di materia oscura ha senso all'interno dell'attuale modello standard della cosmologia basato sul Big Bang, per due ragioni fondamentali: non si potrebbe altrimenti spiegare la formazione di galassie e ammassi di galassie nel tempo calcolato dall'evento iniziale del Big Bang stesso in uno scenario cosmologico come l'attuale, che prevede come unica forza cosmologica la gravità, non si spiegherebbe come le galassie si possano mantenere integre, dato che la materia visibile, composta da barioni, non è in grado di sviluppare una sufficiente attrazione gravitazionale Se, invece, il modello dovesse risultare errato, si potrebbe non avere necessità dell'ipotesi della materia oscura, giacché essa deriva solo dalla violazione di un modello matematico e non da alcuna dimostrazione sperimentale certa. La materia oscura non va confusa con la diversa ipotesi che va sotto il nome di energia oscura.