Một khi sự tồn tại của vật chất tối đã được xác nhận thì việc tìm hiểu bản chất của nó trở thành một vấn đề cơ bản. Rất nhiều ứng cử viên cho vật chất tối đã được đưa ra [26] nhưng việc xác định bằng thực nghiệm vẫn còn chưa rõ ràng. Trong phần này, chúng tôi đề cập đến khả năng tồn tại của 4 loại vật
chất tối cùng các tính chất của chúng: baryon, neutrino, tàn dư nhiệt và tàn dư không nhiệt.
Baryon là các ứng cử viên hiển nhiên nhất của vật chất tối vì chúng được thấy dưới dạng các hành tinh, các sao có độ sáng thấp và các đám khí khuyếch tán. Một hệ quả là vật chất tối baryon sẽ đứt đoạn và sụp đổ để tạo thành các Massvive Compact Halo Objects (MACHOs). Tuy nhiên, hiệu ứng suy sụp Silk trong các cấu trúc cỡ lớn [113] cùng với số lượng không đủ lớn của các MACHOs [8] và sự tổng hợp hạt nhân trong vụ nổ lớn [65] đều cho thấy rằng
Ωm ≈ 0.04. Thêm vào đó, các quan sát trực tiếp từ phổ tia X từ các các thiên hà tương tác cũng chỉ ra rằng vật chất tối không tương tác theo kiểu tương tác của các baryon [45]. Điều này có nghĩa mặc dù baryon chiếm một tỉ lệ lớn trong tổng số vật chất (khoảng 15% vật chất), chúng không phải là toàn bộ vật chất tối có trong vũ trụ.
Do đó, một điều không thể tránh khỏi là phần lớn vật chất tối ở dạng không- baryon. Mô hình chuẩn chứa một ứng cử viên cho vật chất tối không-baryon, đó chính là neutrino. Tuy nhiên, neutrino được sinh ra dưới dạng bức xạ nhiệt và chúng có khối lượng rất bé nên mâu thuẫn với các ràng buộc suy ra từ phổ
Lyman−α rằng vật chất tối nóng phải có khối lượng nhỏ nhất cỡ 2keV [144]. Điều này cùng với các ràng buộc về khối lượng của neutrino đã loại bỏ khả năng cho rằng neutrino của Mô hình chuẩn là thành phần chính của vật chất tối.
Các tàn dư nhiệt nặng hơn được ưa chuộng và được cho phép trong thực nghiệm. Vật lý hạt trên cơ sở mở rộng Mô hình chuẩn cung cấp cho ta rất nhiều các ứng cử viên sáng giá của vật chất tối ở dạng tàn dư nhiệt như: hạt siêu đối xứng nhẹ nhất (neutralino, gravitino) và hạt Kaluza-Klein nhẹ nhất. Các hạt này không tham gia tương tác mạnh hay điện từ và do đó được gọi là các hạt nặng tương tác yếu (WIMPs). Các tàn dư nhiệt được xác định qua sự kiện là tại một thời điểm nào đó trong quá khứ hình thành vũ trụ, các hạt này nằm trong trạng thái cân bằng nhiệt với plasma nguyên thủy. Vào một thời điểm khác, độ phổ biến của chúng chuyển ra bên ngoài (quá trình tái kết hợp hóa học) và kể từ đó số lượng các hạt vật chất tối giữ nguyên không đổi. Tại một thời điểm sau đó, các hạt vật chất tối ngừng tán xạ với plasma nguyên thủy (quá trình tái kết
hợp động học), sau đó chúng chuyển động dưới tác dụng của trường hấp dẫn. Ngược lại với tàn dư nhiệt, các tàn dư không nhiệt không bao giờ ở trong trạng thái cân bằng nhiệt với plasma nguyên thủy. Thay vào đó, các hạt vật chất tối dạng này có thể được sinh ra từ các dịch chuyển pha của vũ trụ thời kì sơ khai. Các ứng cử viên cho vật chất tối dạng này bao gồm: axion [127], graviton nặng [60].
Khác với tàn dư nhiệt, các tàn dư không nhiệt chỉ tiến triển do hấp dẫn kể từ lúc chúng được sinh ra. Do vậy, chúng chỉ chịu ảnh hưởng bởi hấp dẫn từ plasma nguyên thủy.