"Темная материя" начинается в современном Чикаго, где Джейсон Дессен (Джоэл Эдгертон), скромный профессор физики, ведет спокойную и счастливую жизнь среднего класса со своей женой Даниэлой (Дженнифер Коннелли) и их сыном-подростком Чарли (Оукс Фегли). Его жизнь лишена особых приключений, но он доволен тем, что у него есть — любимая семья и стабильная работа. Однако всё меняется в один момент.
После вечеринки в честь присуждения престижной научной премии его давнему другу Райану (Джимми Симпсон), Джейсона внезапно избивают и похищают. Когда он приходит в себя, то обнаруживает, что оказался в параллельной вселенной, где его жизнь совершенно другая. В этом мире Джейсон — успешный и богатый физик, буквально "рок-звезда" в своей области. Однако вместо уютного дома и любимой семьи его встречает подруга Аманда (Элис Брага), которая явно удивлена его неожиданным появлением.
К концу первого эпизода становится ясно, что Джейсон был похищен и заменен своим двойником из альтернативной реальности, который стремится занять его место в привычном мире. Новый Джейсон, более самоуверенный и агрессивный, начинает адаптироваться к жизни, которую ведет его "оригинал". Однако мелочи вроде аллергии на орехи или привычки использовать зубную нить заставляют Даниэлу подозревать, что с её мужем что-то не так.
Тем временем, в мире Джейсона-2, оригинальный Джейсон начинает разбираться в происходящем и постепенно восстанавливает детали плана своего двойника. Он сближается с Амандой, которая помогает ему собрать воедино все части этой головоломки. Однако возвращение домой оказывается гораздо сложнее, чем он предполагал. Моральные и физические преграды, а также вмешательство Лейтона (Дайо Окенийи) — миллиардера-технаря, на которого работает Джейсон-2, усложняют его попытки вернуться к своей прежней жизни. Лейтон видит в Джейсоне-2 ценного учёного и не собирается позволять ему уйти так просто.