L'espace interstellaire n'est pas vide. Il contient du gaz, de la poussière, des rayons cosmiques et des champs magnétiques. Ce milieu est la matière première à partir de laquelle se forment de nouvelles étoiles et planètes. C'est aussi le cimetière des étoiles anciennes, enrichi en éléments lourds forgés en leur cœur et libérés lors de leur mort.

Le milieu interstellaire est extrêmement mince à l'échelle terrestre. Un centimètre cube ne contient que quelques atomes, contre des milliards de milliards dans l'air que nous respirons. Mais les distances sont immenses, donc la masse totale est colossale. La Voie lactée contient environ 10 % de sa masse sous forme de gaz et de poussières interstellaires.

Le milieu n'est pas uniforme. Il présente différentes phases. On y trouve des nuages ​​moléculaires froids et denses où se forment les étoiles, des régions chaudes et neutres, ainsi que du gaz chaud et ionisé autour des jeunes étoiles et des restes de supernova. Ces phases interagissent, et l'équilibre entre elles détermine l'évolution des galaxies.

La poussière, bien que présente en faible quantité en masse, est un élément essentiel pour les astronomes. Elle bloque la lumière visible, créant ainsi des nébuleuses obscures. Elle rougit également la lumière des étoiles, de la même manière que la fumée rougit un coucher de soleil. Les télescopes infrarouges peuvent traverser la poussière et révéler les étoiles et les nuages ​​qui se cachent derrière.