Trong vật lý thiên văn, thuật ngữ vật chất tối chỉ đến một loại vật chất giả thuyết trong vũ trụ, có thành phần chưa hiểu. Vật chất tối không phát ra hay phản chiếu đủ bức xạ điện từ để có thể quan sát được bằng kính thiên văn hay các thiết bị đo đạc hiện nay, nhưng có thể nhận nó ra vì những ảnh hưởng hấp dẫn của nó đối với chất rắn và/hoặc các vật thể khác cũng như với toàn thể vũ trụ. Dựa trên hiểu biết hiện nay về những cấu trúc lớn hơn thiên hà, cũng như các lý thuyết được chấp nhận rộng rãi về Vụ Nổ Lớn, các nhà khoa học nghĩ rằng vật chất tối là thành phần cơ bản chiếm tới 23% vật chất trong vũ trụ.

Các nhà khoa học đã nhận ra một số hiện tượng mà hợp với sự tồn tại của vật chất tối, bao gồm tốc độ quay của các thiên hà và tốc độ quỹ đạo của những thiên hà trong cụm; thấu kính hấp dẫn các thiên thể phía sau bởi những cụm thiên hà như là Bullet Cluster; và kiểu phân phối nhiệt độ của khí nóng ở các thiên hà và cụm thiên hà. Vật chất tối cũng có vai trò quan trọng đối với sự tạo thành cấu trúc và sự tiến hóa thiên hà, và có ảnh hưởng đo được đến tính không đẳng hướng (anisotropy) của bức xạ phông vi sóng vũ trụ. Các hiện tượng này chỉ rằng vật chất quan sát thấy được trong các thiên hà, các cụm thiên hà, và cả vũ trụ mà có ảnh hưởng đến bức xạ điện từ chỉ là một phần nhỏ của tất cả vật chất: phần còn lại được gọi là "thành phần vật chất tối".
Hình dung về tỷ lệ thành phần vũ trụ: năng lượng tối 73%, vật chất tối 23%, khí Hidro, Heli tự do, các sao, neutrino, thành phần chất rắn và các phần còn lại 4%
Hình dung về tỷ lệ thành phần vũ trụ: năng lượng tối 73%, vật chất tối 23%, khí Hidro, Heli tự do, các sao, neutrino, thành phần chất rắn và các phần còn lại 4%

Thành phần của vật chất tối chưa được hiểu, nhưng có thể bao gồm những hạt sơ cấp mới nghĩ đến, như là WIMP, axion, và neutrino thường và nặng; các thiên thể như là sao lùn trắng và hành tinh (được gọi chung là MACHO, massive compact halo object); và đám khí không phát ra ánh sáng. Bằng chứng hiện hành ủng hộ các mô hình cho rằng thành phần chính của vật chất tối là những hạt sơ cấp chưa gặp, được gọi chung là "vật chất tối thiếu baryon". Cũng có thể xếp hố đen vào một dạng vật chất tối.