Debido a las incesantes giras de los Grateful Dead, y al hecho de que se permitía a los fans grabar los espectáculos de la banda, existen muchas versiones en directo de «Dark Star». La grabación en estudio de «Dark Star» duraba sólo 2:40, pero la canción era conocida por sus largas actuaciones en directo, muchas de las cuales duraban entre 20 y 30 minutos. Con una duración de más de 23 minutos (13 de los cuales consisten en el solo de guitarra de Jerry García), la popular interpretación que se encuentra en el álbum en directo Live/Dead era una mezcla de psicodelia, jazz y elementos de improvisación. «Dark Star» define la primera música de improvisación de los Dead.
Después de 1973, «Dark Star» cayó fuera de la rotación normal en los espectáculos de los Dead; la canción no se interpretó en absoluto entre el 18 de octubre de 1974 y el 31 de diciembre de 1978. Estar presente en una actuación de «Dark Star» se convirtió en un «Santo Grial» para los Deadheads. La canción se convirtió en algo tan legendario que a menudo los cabezas dedicadas se referían a ella como «IT». Sabiendo esto, los Dead a veces se burlaban de la introducción de la canción antes de cambiar a otra, para finalmente traerla a finales de los setenta en el Año Nuevo de 1978, en el cierre de Winterland. El pianista invitado semi-regular Bruce Hornsby incorporaría más tarde tales bromas en sus propios conciertos, sabiendo que un buen número de Deadheads podría estar presente.
Después del espectáculo de Año Nuevo de 1981 «Dark Star» sólo aparecería una vez más en la primera mitad de los años ochenta (en el Hearst Greek Theatre el 13 de julio de 1984) y permanecería latente hasta que se revivió en el legendario «Formerly the Warlocks» de dos días en el Hampton Coliseum de Hampton, Virginia, el 9 de octubre de 1989. Poco después, actuando como Grateful Dead, Dark Star regresó el 16 de octubre de 1989 en una actuación en el Meadowlands Arena (FKA Brendyn Byrne Arena) que más tarde se publicó como «Nightfall of Diamonds». Después de su resurgimiento en 1989, esta canción se convertiría en un tema recurrente, interpretado con frecuencia hasta 1990, y ocasionalmente durante el resto de la carrera de la banda. Un memorable post-revival de «Dark Star» es del Nassau Coliseum en Uniondale, Nueva York, el 29 de marzo de 1990, con el saxofonista de jazz Branford Marsalis sentado con la banda. Una de estas actuaciones fue presentada en el programa de radio sindicado The Grateful Dead Hour, extendiendo la leyenda de la canción un poco más allá del círculo íntimo de los Deadheads; el programa completo aparece como el lanzamiento de la bóveda Wake Up to Find Out.
En 1993, Phil Lesh se acercó al artista del collage musical John Oswald para hacer un proyecto con «Dark Star». Le dieron más de cien interpretaciones diferentes de la canción entre 1968 y 1993. Oswald construyó, superpuso y «plegó» estas numerosas interpretaciones para producir dos grandes versiones recompuestas, una de 59:59 y la segunda de 46:46. El proyecto se llama Grayfolded. Se trata de la única grabación conocida que incluye las actuaciones de todos los miembros del grupo, desde su creación en 1965 hasta 1995. La última interpretación en directo de «Dark Star» por parte de Grateful Dead tuvo lugar el 30 de marzo de 1994 en The Omni en Atlanta, Georgia.