Kuten NASA selittää verkkosivullaan, pimeys pimeässä aineessa tulee siitä, että ”se ei ole muodossa tähtiä ja planeettoja, joita me näemme.”
1900-luvun lopulla tähtitieteilijät havaitsivat pimeitä alueita muuten tiheissä tähtijoukoissa. Vuonna 1904 lordi Kelvin havaitsi ongelman ratkaisemiseksi, että Linnunradan galaksin arvioitu massa oli pienempi kuin sen havaittu massa, ja selitti eron johtuvan tähdistä, jotka olivat niin sanottuja ”pimeitä kappaleita”. Vastatessaan Kelvinille vuonna 1906 ranskalainen fyysikko Henri Poincaré väitti, että ei ole olemassa mitään erityistä ”matière obscure”, joka on käännetty (ja ensimmäinen tunnettu käyttö) pimeäksi aineeksi, vaan pikemminkin havaitsemattomia, valoa lähettämättömiä tähtiä. Termi pimeä aine oli tiedemiesten käytössä englanninkielisenä terminä vuoteen 1922 mennessä.
Kun tähtitiede ja astrofysiikka etenivät 1900-luvulla, epäjohdonmukaisuuksia siinä, miten maailmankaikkeuden oletettiin toimivan, alkoi tulla lisää. Esimerkiksi spiraaligalaksien uloimpien alueiden tähdet liikkuivat nopeammin kuin niiden pitäisi, mikä viittasi siihen, että näissä galakseissa oli paljon enemmän massaa kuin tutkijat olivat ottaneet huomioon. Tämän ongelman parissa työskentelevät tähtitieteilijät Vera Rubin ja Kent Ford ehdottivat, että tämä voisi johtua pimeästä aineesta. 1980- ja 1990-luvuilla monet tutkijat alkoivat vähitellen hyväksyä pimeän aineen, jota joskus luonnehdittiin kylmäksi ja hitaasti liikkuvaksi, olemassaolon, kun muita todisteita alkoi kertyä.
Mutta pimeän aineen tarina ei ole vielä läheskään ohi. Tutkijat eivät tarkalleen tiedä, mistä se koostuu, edes onko sitä todella olemassa siinä muodossa kuin termi antaa ymmärtää, ja miten se ylipäätään voitaisiin edes määritellä, mikä tekee siitä yhden fysiikan suurimmista, ratkaisemattomista ongelmista. He tietävät kuitenkin, että pimeä aine ei ole galaksin kokoisia mustia aukkoja, koska silloin voisimme havaita valon gravitaatiolinsseistä (kauempana olevasta lähteestä tulevan valon taipuminen), eikä se ole antiainetta, koska antiaine aiheuttaa pieniä räjähdyksiä joutuessaan kosketuksiin aineen kanssa. Se ei myöskään koostu tavallisen aineen pimeistä pilvistä, joita kutsutaan baryoniseksi aineeksi, koska se absorboisi säteilyä ja voitaisiin havaita.
Joidenkin teorioiden mukaan pimeällä aineella on yhteys pienempiin mustiin aukkoihin, ruskeiden kääpiötähtien kaltaisiin tiheisiin kappaleisiin, ylimääräisiin ulottuvuuksiin tai rinnakkaisiin maailmoihin. Toiset taas esittävät, että se on vain eräänlainen heikosti vuorovaikuttava hiukkanen, jota emme vielä pysty havaitsemaan, kun taas toiset ovat ehdottaneet uutta painovoimateoriaa, joka selittäisi pimeän aineen aiheuttamat ongelmat.
Jotkut tutkijat arvioivat, että pimeän aineen osuus meitä ympäröivästä maailmankaikkeudesta on noin 27 prosenttia. Vaikka se ei tunnu paljolta, he uskovat myös, että 68 % on pimeää energiaa, tuntematonta energiamuotoa (mallina nimi pimeä aine), joka saa maailmankaikkeuden laajenemaan odotettua nopeammin. Jos tämä pitää paikkansa, se tarkoittaa, että vain noin 5 % maailmankaikkeudesta koostuu aineesta, jonka ymmärrämme ”aineeksi”.”