宇宙中大部分的物质并不发出电磁辐射。这类暗物质（Dark Matter, DM）的本质是现代物理学中最重要的未解之谜之一。对暗物质的研究包括直接与间接搜寻，以及利用宇宙学模拟来检验不同的理论模型。目前暗物质的两大主要候选者是超大质量、类 WIMP（弱作用重粒子）的粒子，以及超轻的、类轴子（Axion-like）的粒子。
HKIAA 成员正透过（强）引力透镜效应来检验暗物质晕在单一星系、星系群与星系团尺度上的不同预测，其中前景的宇宙透镜会将背景星系产生多重影像（Lim, Hannuksela）。他们也在发展先进的暗物质晕与周围气体的数值模拟，以研究宇宙的演化（T. K. Chan）。
我们的多位成员亦研究基础物理问题，并利用天文观测来加以检验。研究主题包括暗物质的本质（Chu, Liu, Zhao, Zhong）、搜寻暗物质讯号（Kenny C. Y. Ng, M. H. Chan）、希格斯玻色子（Liu）、暗部族／暗部门（dark sectors, Zhao, Zhong）、暴胀（Wong, Wang）、宇宙相变（Zhao）、原初黑洞（Wang, Zhang）、黑洞结构（Wong）、奇异夸克星（Chu, Zhang），以及利用宇宙灯塔测试等效原理、光子质量等基本物理（Zhang）。
