El espacio interestelar no está vacío. Contiene gas, polvo, rayos cósmicos y campos magnéticos. Este material constituye el medio interestelar, la materia prima a partir de la cual se forman nuevas estrellas y planetas. Es también el cementerio de estrellas antiguas, enriquecido con elementos pesados ​​que se forjaron en sus núcleos y se liberaron al morir.

El medio interestelar es delgado en comparación con la Tierra. Un centímetro cúbico podría contener unos pocos átomos, frente a los miles de millones que hay en el aire que respiramos. Pero las distancias son inmensas, por lo que la masa total es enorme. La Vía Láctea contiene aproximadamente el 10 % de su masa en gas y polvo interestelar.

El medio no es uniforme. Presenta fases. Existen nubes moleculares frías y densas donde se forman las estrellas. Hay regiones cálidas y neutras. Hay gas caliente e ionizado alrededor de las estrellas jóvenes y los remanentes de supernovas. Estas fases interactúan, y el equilibrio entre ellas determina la evolución de las galaxias.

El polvo es un componente menor en masa, pero fundamental para los astrónomos. Bloquea la luz visible, creando nebulosas oscuras. También enrojece la luz de las estrellas, del mismo modo que el humo enrojece una puesta de sol. Los telescopios infrarrojos pueden ver a través del polvo, revelando las estrellas y las nubes que se encuentran detrás.