21世纪初科学最大的谜是暗物质和暗能量。暗物质存在于人类已知的物质之外，人们知道它的存在，但不知道它是什么，它的构成也和人类已知的物质不同。在宇宙中，暗物质的能量是人类已知物质的能量的5倍以上。暗物质的总质量是普通物质的6.3倍，在宇宙能量密度中占了1/4，同时更重要的是，暗物质主导了宇宙结构的形成。暗物质的本质还是个谜。科学家认为，整个宇宙有84.5%是由暗物质构成，但一直未能证明其存在。已有不少天文学家认为，宇宙中90%以上的物质是以“暗物质”的方式隐藏着。天文学家们称，根据当前一些统计资料显示，我们平常看不见的暗物质很可能占有宇宙所有物质总量的95%，而人类可以看到的物质只占宇宙总物质量的不到10%。

20世纪30年代，荷兰天体物理学家奥尔特指出：为了说明恒星的运动，需要假定在太阳附近存在着暗物质；同年代，茨维基从室女星系团诸星系的运动的观测中，也认为在星系团中存在着大量的暗物质；美国天文学家巴柯的理论分析也表明，在太阳附近，存在着与发光物质几乎同等数量看不见的物质。

1930年初，瑞士天文学家扎维奇发表了一个惊人结果：在星系团中，看得见的星系只占总质量的1/300以下，而99%以上的质量是看不见的。不过，扎维奇的结果许多人并不相信。

自20世纪70年代以来，科学家们根据对许多大型天体之间，如星系之间的引力效果的观测发现，常规物质不可能引起如此大的引力，因此暗物质的存在理论被广泛认同。

2006年1月6日报道，剑桥大学天文研究所的科学家们在历史上第一次成功确定了广泛分布在宇宙间的暗物质的部分物理性质。从事此项研究的科学家们已准备将此项研究结果公开发表。

2006年，美国天文学家利用钱德拉X射线望远镜对星系团1E 0657-56进行观测，无意间观测到星系碰撞的过程，星系团碰撞威力之猛，使得黑暗物质与正常物质分开，因此发现了暗物质存在的直接证据。天文学家推测，宇宙中最重要的成分是暗物质和暗能量，暗物质占宇宙25%，暗能量占70%，通常所观测到的普通物质只占宇宙质量的5%。因此，探测和研究暗物质很可能导致物理学界新的革命。

2007年1月，暗物质分布图终于诞生了！经过4年的努力，70位研究人员绘制出这幅三维的“蓝图”，勾勒出相当于从地球上看，8个月亮并排所覆盖的天空范围中暗物质的轮廓。这张图是通过引力透镜原理获得的。马赛天文物理实验室的让-保罗·克乃伯(Jean-Paul Kneib)参加了这张分布图的绘制工作，他认为这种“面包丁”的形状自25亿年以来就没有很大改变，所以我们看到的也就是暗物质的形状。

2007年5月16日出版的《天体物理学杂志》称，约翰斯·霍普金斯大学天文学家小组利用哈勃太空望远镜，探测到了位于遥远星系团中呈环状分布的暗物质。天文学家们称，这是迄今为止能证明暗物质存在的最强有力的证据。这一重大发现刊登在上。 研究小组成员、天文学家詹姆斯·杰说，“这是第一次探测到有着独特结构的暗物质，它的环状结构与星系团内部星系以及热气体的结构截然不同”。这将有助于天文学家分析暗物质与普通物质的区别，理解引力作用是如何影响暗物质的。

2009年12月21日，科学家在Souden煤矿中发现暗物质，这是迄今为止最有力的发现暗物质证据。其他实验也在探寻来自暗物质的信号，比如地下氙（Lux）实验。美国费米太空望远镜则试图定位暗物质，寻找其在空间湮没（暗物质发生碰撞时，两个粒子将生成可以被探测器接收到的γ射线）的证据，但目前没有任何发现。

2010年12月12日，中国首个极深地下实验室——“中
暗物质
暗物质国锦屏地下实验室”于在四川雅砻江锦屏水电站揭牌并投入使用，锦屏地下实验室垂直岩石覆盖达2400米，是当前世界岩石覆盖最深的实验室。它的建成标志着中国已经拥有了世界一流的洁净的低辐射研究平台，能够自主开展像暗物质探测这样的国际最前沿的基础研究课题。清华大学实验组的暗物质探测器已经率先进入实验室，并启动探测工作，而2012年上海交通大学等研究团队也将进入这里开展暗物质的探测研究。

2011年5月，意大利暗物质探测无果，该研究结果质疑其它发现暗物质的结果。有科学研究表明，大麦哲伦星系（距银河系约16万光年）未被银河系的引力撕碎的原因可能是因为暗物质的影响，使大麦哲伦星系幸免于难。

日内瓦时间2013年4月3日下午5点（北京时间2013年4月4日零点），诺贝尔物理奖获得者丁肇中教授在日内瓦欧洲核子中心，首次公布其领导的阿尔法磁谱仪（AMS）项目18年之后的第一个实验结果——已发现的40万个正电子可能来自一个共同之源，即脉冲星或人们一直寻找的暗物质。

至2013年，寻找暗物质粒子、研究暗能量的物理本质、探索宇宙起源及演化的奥秘、结合粒子物理和宇宙学的研究已成为21世纪天文学和物理学发展的一个重要趋势。诺贝尔物理学奖获得者李政道教授曾多次指出：“暗物质是笼罩20世纪末和21世纪初现代物理学的最大乌云，它将预示着物理学的又一次革命。”

2013年4月18日，美国物理学会的科学家报告称，在实验中发现大质量弱相互作用粒子的信号强度达到3个西格玛水平，他们发现暗物质的可能性达到99.8%。

2013年4月，当地时间3日，诺贝尔奖获得者、华裔物理学家丁肇中及其阿尔法磁谱仪项目团队宣布的成果，让人类在认识暗物质的道路上迈出重要一步。丁肇中团队借助阿尔法磁谱仪已发现40万个正电子，这些正电子可能来自人类一直寻找的暗物质（正电子是反物质，和暗物质是完全不同的概念）。阿尔法磁谱仪首批研究成果“将有助于促进对基础物理学和天体物理学领域新的理解”，“我们期盼更多来自这一项目的令人激动的成果”。阿尔法磁谱仪(AMS)项目重大成果，该成果有可能证明暗物质确实存在。

北京时间2014年9月18日，程林教授团队与丁肇中合作的AMS项目重大成果发布会在瑞士日内瓦举行，丁肇中主持的实验室公布AMS项目最新研究成果，宇宙射线中过量的正电子可能来自暗物质。丁肇中特委托山东大学程林教授在国内发布有关成果。在已完成的观测中，证明暗物质存在实验的6个有关特征中，已有5个得到确认。