。1933年，天体物理学家兹威基（F
itz Zwicky） 利用光谱红移测量了后发座星系团中各个星系相对于星系团的运动速度。
利用位力定理，他发现星系团中星系的速度弥散度太高，仅靠星系团中可见星系的质量产生的引力是无法将其束缚在星系团内的，因此星系团中应该存在大量的暗物质，其质量为可见星系的至少百倍以上。
史密斯（S. Smith） 在1936年对室女座星系团的观测也支持这一结论。不过这一概念突破性的结论在当时未能引起学术界的重视。1939年，天文学家巴布科克（Ho
ace W. Babcock）通过研究仙女座大星云的光谱研究，显示星系外围的区域中星体的旋转运动速度远比通过开普勒定律预期的要大，对应于较大的质光比。
这暗示着该星系中可能存在大量的暗物质。1940年奥尔特对星系NGC3115外围区域星体运动速度的研究，指出其总质光比可达约250。1959年凯恩（F.D. Kah
）和沃特（L. Woltje
）研究了彼此吸引的仙女座大星云和银河系的之间的相对运动，通过相互它们靠近的速度和彼此间的距离，推论出我们人类所处的本星系团中的暗物质比可见物质的质量约大十倍。
暗物质存在的一个重要证据来自于1970年鲁宾（Ve
a Rubi
）和福特（Ke
t Fo
d）对仙女座大星云中星体旋转速度的研究。利用高精度的光谱测量技术，他们可以探测到远离星系核区域的外围星体绕星系旋转速度和距离的关系。
按照牛顿万有引力定律，如果星系的质量主要集中在星系核区的可见星体上，星系外围的星体的速度将随着距离而减小。
但观测结果表明在相当大的范围内星系外围的星体的速度是恒定的。 这意味着星系中可能有大量的不可见物质并不仅仅分布在星系核心区，且其质量远大于发光星体的质量总和。1973年罗伯兹（M.S. Robe
ts）和罗兹（A.H. Rots）运用21厘米特征谱线观测技术探测仙女座大星云外围气体的速度分布，也从另一角度证实了这一结论。
1980年代，出现了一大批支持暗物质存在的新观测数据，包括观测背景星系团时的引力透镜效应，星系和星团中炽热气体的温度分布，以及宇宙微波背景
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