霍金研究天文學逾半世紀，運用愛因斯坦的廣義相對論，還有普朗克的量子力學，為黑洞研究提出新觀點。霍金一反此前理論，主張黑洞會釋出微弱輻射，而非單純「只進不出」的天體，獲科學界廣泛認同，被稱為「霍金輻射」。
成名作「奇點定理」
霍金的成名作是與數學家彭羅斯發表「奇點定理」，以廣義相對論結合數學，推斷出宇宙大爆炸於一個微細的「奇點」發生，意即時間和空間均存在起點與終點。當時科學家對宇宙大爆炸認識不深，奇點定理改變了物理學中時間永恒存在的理論。
黑洞的密度非常高，外界此前認為它會吸收一切物質和能量，然而霍金運用量子力學，提出黑洞並非只吸收物質，也會同步釋出輻射，這些輻射減少黑洞的質量，導致黑洞體積逐漸縮小、溫度上升，最終耗盡能量，過程稱為「黑洞蒸發」。
霍金後來多次修訂黑洞理論，2014年更指出黑洞吸收物質和能量只屬其中一面，進入黑洞的物質有可能離開或通往「平行宇宙」，形容黑洞實際上可能是「灰洞」。
霍金亦提出「真實時間」(實時)和「想像時間」(虛時)概念，認為宇宙時間的運行方式，有可能跟人類目前認知的線性時間有別。霍金的最終目標是結合相對論與量子力學，建立足以解釋宇宙所有現象的統一理論。 ■《獨立報》/英國廣播公司