Le galassie sono costituite da un nucleo molto luminoso e massiccio attorno al quale ruotano le altre stelle, distribuite in maniera tale che la loro concentrazione diminuisca man mano che ci si allontani dal nucleo galattico

Consideriamo una galassia a spirali, quale la galassia M83. Consideriamo le stelle periferiche nei rami della spirale.
Sappiamo che le stelle più lontane dal nucleo centrale dovrebbero muoversi ad una velocità molto inferiore rispetto a quello rilevato per le stelle più vicine al nucleo della galassia, in quanto devono possedere una forza centrifuga in grado di compensare l'attrazione gravitazionale che diminuisce man mano ci allontaniamo dal nucleo centrale. (basta pensare alle velocità con cui si muovono i pianeti del sistema solare attorno al sole) . Analizzando le stelle presenti nelle spirali delle galassie osservate si riscontra che si muovono ad una velocità superiore rispetto a quanto ipotizzato.
Questo ci porta a considerare che la massa centrale deve essere molto maggiore rispetto a quanto rilevato.
Pertanto siamo stati portati ad affermare che in questa galassie ci debba essere una massa enorme, ma invisibile (la materia oscura), in grado di spiegare questa anomalia.

Questa anomalia è stata rilevata analizzando centinaia di galassie a spirale.

Un'altra prova dell'esistenza della materia oscura è legata allo studio del moto relativo di ciascuna galassia di un ammasso, mediante la conoscenza della massa totale del sistema, cioè la somma delle masse delle galassie che lo compongono.
Anche in questo caso, osservazioni sperimentali di un gran numero di ammassi hanno dimostrato che le velocità delle galassie erano anche 400 volte maggiori di quelle calcolate, il che indicava che l’ammasso era molto più “pesante” di quanto non sembrasse. 

La materia oscura non è presente in tutte le galassie dell'universo.
Nel 2018,un gruppo di ricercatori di Yale aveva pubblicato uno studio sulla galassia NGC 1052-DF2, in breve DF2, la prima galassia conosciuta che contiene poca o nessuna materia oscura.Successivamente si sono scoperte altre galassie simili alla nostra galassia, ma con un numero di stelle inferiori di cento volte quelle presenti nella Via Lattea, prive di materia oscura.
Si è trattato di un risultato molto significativo perché ha dimostrato che la materia oscura non è sempre associata alla materia tradizionale su scala galattica.
Ha anche escluso diverse teorie secondo le quali la materia oscura non è una sostanza ma una manifestazione delle leggi di gravità su scala cosmica.

Secondo i ricercatori, pertanto, la materia oscura è una sostanza non associata alla materia normale, dal momento che possono essere trovate separatamente.