Сложные прилагательные, обозначающие оттенки качества (преимущественно цвета или вкуса), пишутся через дефис.
Следовательно, правильный вариант – тёмно-синий.
Иссиня-чёрный, нежно-розовый, кисло-сладкий, приторно-сладкий
Если же оттенок образовался от словосочетания, то такое сложное прилагательное пишется слитно.
Белоснежный
