Durant el segle XIX hom acceptava que l’espai interestel·lar era completament buit. Al començament del segle XX, el fet que en unes certes regions del firmament hom no veiés brillar cap estel feu pensar en l’existència d’importants condensacions de matèria que absorbien la llum dels estels que hi devia haver al darrere. Posteriors observacions han confirmat aquesta hipòtesi. La densitat mitjana del gas interestel·lar és de 0,1 àtoms per cm3, és a dir, de 10-24 g/cm3, i la densitat de la pols és de 10-26 g/cm3, bé que en certs llocs de l’espai la densitat del gas pot arribar fins a 10.000 àtoms per cm3. Aquestes condensacions de matèria es presenten com extensos núvols lluminosos, anomenat nebuloses brillants, o com núvols foscs, anomenats nebuloses fosques. Hom suposa que la quantitat total de matèria interestel·lar que hi ha a la Via Làctia, representa, aproximadament, el 2% del total de la seva massa, però als braços espirals la matèria interestel·lar representa gairebé el 50% de la massa d’aquests braços.
Els elements més abundants a l’espai interestel·lar són l’hidrogen neutre i l’heli. La resta, amb quantitats inferiors en diversos ordres de magnitud, són el carboni, el nitrogen, l’oxigen, el calci, el sodi i d’altres en quantitats encara menors. L’hidrogen, segons les teories cosmològiques de l’explosió inicial, es devia haver creat als primers minuts de la història de l’Univers, mentre que els àtoms més pesants s’originaren bastant més tard, a l’interior dels estels, i foren llançats a l’espai durant els fenòmens d’explosió de les supernoves. Entre les molècules interestel·lars, l’existència de les quals és completament establerta, cal destacar les següents: CH, CH+, CN, OH, CO, CS i d’altres en molt petites quantitats. L’any 1969 hom descobrí l’existència, a l’espai interestel·lar, d’una gran quantitat de formaldehid, compost que sembla haver estat precursor de totes les molècules que tenen importància en la química de la vida. Finalment, hom creu que la pols interstellar és constituïda per petits cristalls de H2O, NH3, CH4, NH i CH, les dimensions dels quals són de l’ordre de 10-4mm. Aquesta pols polaritza la llum dels estels que la travessen, per la qual cosa els petits cristalls han de tenir forma allargada i, a més, han d’ésser orientats segons una mateixa direcció, la qual hom suposa que és determinada pels camps magnètics interestel·lars.