20世纪物理学与探测技术飞速发展，使精确研究宇宙的起源与演化成为可能。现代天文学通过“引力透镜效应”、宇宙中大尺度结构的形成、宇宙微波背景辐射等方法和理论来探测暗物质。现代宇宙学中各项独立的观测实验证据，包括对旋涡星系旋转曲线的测量、“子弹头”星系团的研究，引力透镜效应，宇宙中大尺度结构，宇宙微波背景辐射等的观测等，均表明宇宙中存在着具有引力效应但不发射或吸收电磁波（包括可见光）的物质，即暗物质。占宇宙总量较大比例的暗物质和暗能量（导致宇宙的加速膨胀的宇宙组分）的实质是什么，这是当今物理学的两大谜团。
1 爱因斯坦引力透镜效应
根据爱因斯坦的广义相对论，由于时空在大质量天体附近会发生畸变，光线经过邻近区域时会向大质量天体发生偏折，产生汇聚效应。如果从观测者到背景光源的视线上有一个大质量的前景天体（比如暗物质主导的大质量星系团），有时会看到在光源的两侧呈现两个像甚至多个像，就好像有一面凸透镜放在观测者和所观测天体之间一样，“引力透镜效应”（图2）因而得名。顾名思义，引力透镜是因为光的路线被引力改变了。而引力是所有东西所共有的性质（只要是存在于宇宙里的东西，没有无引力的），所以，引力透镜到处都是。一般来讲，当透镜天体正好位于背景和观测者中间的时候，透镜的效应最强。
通过分析背景光源的扭曲程度、多个像的位置和特性等，可以帮助我们研究中间作为“透镜”的物质分布的性质。根据尺度与效果的不同，引力透镜效应可以分为强引力透镜效应、弱引力透镜效应和微引力透镜效应。在强透镜区域一般可以形成多个背景源的像，甚至圆弧（又称“爱因斯坦环”），而弱透镜区域则只产生比较小的扭曲。强透镜方法通过对爱因斯坦环的曲率和多个像的位置的分析，可以估计测量透镜天体质量，得到暗物质的质量和空间分布信息。暗物质是宇宙的主要组分，是普通物质总量的6倍左右，它的引力作用与常见的物质是一样的，不可避免地产生引力透镜效应。所以通过分析引力透镜来测定星系团里的暗物质分布，测定大尺度上的暗物质分布是现代宇宙学中重要的研究暗物质的手段。
2006年美国天文学家利用钱德拉X射线空间望远镜对一个叫做1E0657-558的星系团（即“子弹头星系团”）进行观测，无意间观测到两个星系团高速碰撞的过程（图3）。星系团之间的碰撞威力之猛，使得两个星系团的暗物质相互穿越的同时，发出可见光的正常物质被甩在身后，天文学家发现引力透镜观察到的物质分布跟发光物质分布明显不同，从而证明暗物质是星系团中的主要物质成分。
2 星系的旋转曲线
另一个令人信服的暗物质存在的证据，来自于对我们银河系及附近近邻星系的观察。在兹威基提出暗物质的概念40年后，美国女科学家VeraRubin和其同事KentFord在20世纪70年代开展了对仙女座大星云（M31星系）旋转曲线的研究。运用此前改进的观测技术，他们可以探测到距离星系核区域数十光年的星体的径向运动速度。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（就像我们看到的M31星系发出的可见光所展示的那样），星系外围的星体的旋转速度将随着离星系中心越远而减小。但观测结果确表明，在相当大的范围内，星系外围星体的速度几乎是恒定不变的--再次出现了兹威基发现的类似现象：仅凭望远镜看到的“可见物质”,远不足以把外围的星体拽住--至少需要10倍以上的质量才能把这些恒星拴在M31星系中，它们实在转得太快了。既然仙女座星系没有分崩离析，要么意味着牛顿万有引力定律在星系这样的大尺度上是不正确的、需要修改，要么意味着在星系非核心区的更广阔范围内分布有大量的不发光物质，也就是暗物质。他们的工作启发了大量的后续研究工作，现在天文学家认为每一个星系，无论大小，都被各自的暗物质晕团团围住，甚至有些质量小的“矮星系”,暗物质的总量要超过普通物质的1000倍以上。如何解释不同星系尺度的“旋转曲线问题”是形形色色暗物质理论必须克服的困难。
3 宇宙大尺度结构
宇宙大尺度结构在物理宇宙学中是描述可观测宇宙在大范围内（典型的尺度是10亿光年）质量和光的分布特征。近年来大天区星系巡天的结果显示，宇宙似乎显示一种“网状泡沫”结构。几乎所有的星系都分布在狭窄的“纤维带”上，而在它们的中间则是巨大的空洞，其间分布的星系密度要少很多，天文学上称为“空洞”结构。这些空洞的体积巨大，有些直径可达3亿光年，尽管看上去那里确实是什么也没有，但实际上天文学观测证明这里充斥着暗物质。对宇宙进一步的研究看到，巨大的像是气泡的空洞分隔开了片状的物质结构和星系纤维，而超星系团就像是其中偶尔相对出现的密集节点。这种网络结构在宇宙学星系红移巡天可以清楚地看见。在星系巡天观测的三度空间图的结构中显示出迄今所知道宇宙的最大结构。所有这些结构的形成都离不开暗物质的帮助，可以说，暗物质是形成我们宇宙中丰富多彩的结构的重要基石。
4 宇宙微波背景辐射
宇宙微波背景辐射（CosmicMicrowaveBackground,CMB）的研究在现代天文学、宇宙学以及高能物理学的发展中起着举足轻重的作用。CMB是宇宙大爆炸遗留下来的微弱光子辐射场，携带着丰富的宇宙学信息，几乎是人类认知极早期宇宙演化的唯一有效途径。CMB的发现不仅在半个世纪前开创了宇宙学，近年来对它的精确测量更是将人类带入“精确宇宙学”时代。CMB的测量对探索当代宇宙学、高能物理及基础物理学最前沿问题，例如宇宙加速膨胀及“暗能量”的物理本质、“原初”引力波的探测、早期宇宙暴胀过程的物理机制等起到了核心作用，是最为精确有效的宇宙学“探针”.对CMB温度场空间各向异性的观测研究，极大地推进了人类对宇宙物质组分及早期演化的认知。
宇宙微波背景是宇宙大爆炸后遗留下来的热辐射，它是一种充满整个宇宙的电磁辐射，其特征和绝对温标2.725K的黑体辐射相同，频率属于微波范围。1964年美国射电天文学家阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊偶然发现宇宙微波背景，并于1978年获得诺贝尔奖。CMB显示出微小的温度涨落，对应着局部密度的细微差异。宇宙在年轻时期，恒星和行星尚未形成之前，等离子与辐射充满着整个宇宙，随着宇宙的膨胀而逐渐冷却。当宇宙冷却到某个温度时，质子和电子结合形成中性原子。这些原子不再吸收热辐射，因此宇宙逐渐变得透明起来。对CMB的观测显示宇宙中暗物质的组分是可见光普通物质组分的6倍左右，跟大尺度结构的观测结果相吻合。