Según esta hipótesis, nuestro Sol —al igual que el 50% de estrellas de la galaxia— formaría parte de un sistema binario. Su otro foco sería una estrella apagada ("muerta"), una enana marrón, o un pequeño agujero negro, llamada Némesis, que orbitaría a entre 1 y 3 años luz de su pareja. Cada 26 a 34 millones de años, Némesis pasaría cerca o entraría en la nube de Oort, desestabilizándola y lanzando lluvias de grandes cometas en dirección al Sol, lo que explicaría la aparente periodicidad de los grandes impactos y las extinciones asociadas (confirmada por el registro fósil y los estratos geológicos de iridio, un metal extraterrestre). También existen algunas mediciones magnetométricas y otros indicios que favorecerían esta suposición. Sin embargo, el hecho de no haberse registrado un campo gravitacional asociado a la estrella pone en entredicho la teoría.

La hipótesis Némesis surgió en un artículo de investigación publicado por R. A. Muller (físico, Universidad de California en Berkeley), Piet Hut (físico, Instituto de Estudios Avanzados de Princeton) y Mark Davis (Princeton) en la revista Nature (vol 308, pp 715-717, 1984). Némesis sería, según este artículo, una estrella oscura y pequeña, tal vez una enana marrón, con una órbita decenas, centenas o hasta millares de veces más distante que la de Plutón.

Muller, discípulo de Luis Álvarez (quien postuló por primera vez que la gran extinción K-T, hace 65 millones de años, podía deberse a un impacto), ha llegado a afirmar en alguna entrevista que «si le dan un millón de dólares, descubre a Némesis».

En 1985, Whitmire y Matese, de la Universidad de Louisiana del Sur, sugirieron incluso que Némesis podría ser un pequeño agujero negro.

Desde esas fechas la hipótesis aparece y desaparece periódicamente en los medios de comunicación o en la comunidad científica, siendo a veces ridiculizada y a veces sustentada. Los científicos mayoritarios oscilan entre el escepticismo y el vago interés, aunque hay un grupo que la apoya de manera más o menos discreta. No obstante, sigue siendo una hipótesis "poco reconocida" .

En octubre de 1999, el astrónomo británico John Murray anunció haber descubierto un décimo planeta, al que llamó Nibiru (no confundir con el planeta Nibiru propuesto por Zecharia Sitchin) y que por sus características sería asimilable a Némesis, mientras estudiaba unos cometas en los márgenes del Sistema Solar. Según Murray, el nuevo planeta o estrella compañera giraría alrededor del Sol a una distancia 1.000 veces más lejana que Plutón, si bien tal teórico descubrimiento no pudo finalmente ser verificado.

A comienzos de 2000, un equipo de astrónomos de EE.UU. calculó que la estrella oscura, caso de existir, podría ser un enana marrón, coincidiendo con las afirmaciones de John Matese, de la Universidad de Lousiana, quien ese mismo año estudió las órbitas de ochenta y dos cometas de la nube de Oort, afirmando que sus órbitas tenían algunos elementos extraños en común que sólo se podían explicar por la influencia gravitacional de un objeto de varias veces el tamaño de Júpiter. Según su hipótesis, el nuevo planeta estaría 30.000 veces más lejos del Sol que la Tierra, y haría su órbita alrededor del Sol en el sentido opuesto al de los otros miembros del Sistema solar.

Murray calculó una órbita que se completaría en unos seis millones de años y estimó su distancia al Sol en casi cinco billones de kilómetros. Sin embargo, tampoco sus tesis han podido ser demostradas.

Lo más probable es que Némesis no exista, pero hasta el presente no se ha podido negar con total certeza. Némesis es por tanto un objeto hipotético más del Sistema Solar.