他與羅傑·彭羅斯共同合作提出在廣義相對論框架內的彭羅斯–霍金奇性定理，彭羅斯-霍金奇點定理是關於廣義相對論中何時產生引力奇點的研究結果。霍金與彭羅斯共同發表論文證明，假若宇宙遵守廣義相對論，並且含有足夠多的物質，則它必定起始於大爆炸奇點 。論文《黑洞》和他與艾利斯共同撰寫的《時空的大尺度結構》探討了時空的基礎結構，範圍從粒子物理學普朗克尺度到宇宙學尺度，並應用微分幾何來檢試廣義相對論的兩個後果：恆星坍縮後形成黑洞與奇點，以及在宇宙初始時奇點的存在。他還發表了三篇關於黑洞的重要論文，第一篇指出宇宙可能存在一種稱為原生黑洞的微觀黑洞；第二篇部分證明了黑洞無毛定理，即不論黑洞是怎樣形成的，它只具有三種性質：質量、角動量、電荷；第三篇闡明黑洞的事件視界表面面積永不會減少，兩個黑洞合併後的表面面積不會小於原先兩個表面面積之和。他對關於黑洞會產生輻射的理論性預測，現在被稱為霍金輻射。這個理論能解釋黑洞質量如何減少而產生黑洞緩慢蒸發的現象。儘管目前尚未實際觀察到霍金輻射的存在，但霍金的分析是第一個令人信服的量子引力理論。霍金是第一個提出由廣義相對論和量子力學結合解釋宇宙論理論的科學家。量子引力是對引力場進行量子化描述的理論。他是量子力學的多世界詮釋的積極支持者。這是量子力學詮釋的一種，它假定存在無數個平行世界，並以此來解釋微觀世界各種現象的量子論詮釋，其優點是不必考慮波函式坍縮。霍金對於將科學介紹給更廣泛大眾更是不遺餘力，與很多導演與媒體合作開展大眾科普活動，撰寫了多本闡述自己理論與一般宇宙論的科普著作，並廣受大眾歡迎。如《黑洞與嬰兒宇宙》、《時間簡史》、《果殼中的宇宙》、《新時間簡史》等影響全人類的科普著作。

霍金在物理上主要研究領域是宇宙論和黑洞，有三大成就，分別是無邊界宇宙理論，灰洞理論，奇性定理。

1、無邊界宇宙理論。這是霍金在80 年代初創立，他認為時空是有限而無界，而宇宙是可以自給自足，不需要依靠上帝在宇宙最初開始時給予推動力，可以單憑物理定律所決定，完全將人類既有認知，即是上帝為宇宙賦予生命、事物的定理改寫。至於量子宇宙學的主要預言之一，是關於宇宙結構的起源，很久年前宇宙背景輻射探測者對太空背景溫度起伏的觀察，證實了這個預言。

2、灰洞理論。“灰洞”理論認為，物質和能量在被黑洞困住一段時間以後，又會被重新釋放到宇宙中。他在論文中承認，自己最初有關視界的認識是有缺陷的，光線其實是可以穿越視界的。當光線逃離黑洞核心時，它的運動就像人在跑步機上奔跑一樣，慢慢地透過向外輻射而收縮。“經典黑洞理論認為，任何物質和輻射都不能逃離黑洞，而量子力學理論表明，能量和資訊是可以從黑洞中逃離出來的。”霍金同時指出，對於這種逃離過程的解釋需要一個能夠將重力和其他基本力成功融合的理論。在過去近一百年間，物理學界沒有人曾試圖解釋這一過程。

3、奇性定理。霍金跟物理學家羅傑潘洛斯共同提出在廣義相對論框架內的“潘洛斯－霍金奇性定理”。如果廣義相對論是有效，而宇宙間的物質分佈滿足非常一般的條件，那麼宇宙時空就會有奇點存在，而在奇點處，經典物理的定律就會失效。雖然愛因斯坦否認過奇點的存在，不過在霍金和羅傑潘洛斯合作研究的奇性定理，表明了對引力量子化這個過程是不可避免的。擴充套件資料：霍金同樣以敢說著稱，從“地球毀滅說”到“外星人不好惹”，從“大腦可獨立於人體存在”到“人工智慧終將超越人類”，這位“預言帝”的論斷總是那麼驚世駭俗。從《銀翼殺手》到《人工智慧》，人類對人工智慧（AI）發展的憂慮頻繁體現在大銀幕上。而“AI”這個聽起來酷酷的詞，也讓人感覺亦幻亦魔。霍金曾多次表示，人工智慧技術應謹慎發展，否則人類智慧或將被其超越。事實上，霍金並不否認人工智慧為人類生活帶來的便利，他本人也是此類科技的受益者之一。由於患有運動神經元疾病，霍金需要利用一臺機器與外界交流。受智慧手機輸入法啟發，美英兩家科技公司合作，為霍金量身定製了一款打字軟體，使這位科學家“說話”的速度提升了一倍。這種軟體利用基礎的人工智慧技術，可“猜測”使用者的思維，推薦下一個可能用到的字詞。2014年12月，霍金坦陳人工智慧的初步發展已證明了其有用性，但他擔心這類技術最終會發展出與人類智慧相當甚至超越人類的機器，“到時它可能以不斷加快的速度重新設計自己。而人類則受制於生物進化速度，無法與其競爭，最終被超越。” 　相比於人工智慧威脅人類，“地球毀滅論”更加驚悚。“末日說”其實並不新鮮，但出自霍金這樣一位重量級科學家之口，那就不得不認真思量了。更何況，霍老還給地球壽命加了一個明確的期限——1000年。2012年，霍金在70歲生日前夕參加了英國廣播公司的節目。在談及有關世界末日的問題時，霍金表示，基本可以確定的是，未來1000年內，地球會因某場大災難而毀滅，比如核戰爭或者溫室效應。霍金所說的災難，包括戰爭、資源殆盡、人口過剩等等，他認為這些都是正在膨脹的威脅。對於人類社會和地球的“健康狀況”，霍金的確不那麼有信心。他說，人類基因中攜帶“自私、貪婪”的遺傳密碼，人類對地球掠奪日盛，地球資源正在一點點耗盡。因此，他認為人類不能“把所有的雞蛋都放在一個籃子裡”，不能將賭注押在一個星球上，人類社會在未來災難中得以逃脫的唯一機會不在地球，而應該在太空中。　在科學界，時間旅行一度被認為是“歪理邪說”。“過去因為擔心有人會把‘怪人’的標籤貼在自己身上，我對這個問題常常避而不談。但現在，我不再那麼謹小慎微了。”霍金說，他對時間痴迷已久，如果有一臺時間機器，會去拜訪風華正茂的瑪麗蓮·夢露，或是造訪將望遠鏡轉向宇宙的伽利略。或許，還會走到宇宙的盡頭，破解整個宇宙湮滅之謎。不只是美好幻想，霍金還從科學角度分析了未來實現時間旅行的現實問題。他認為，時光機的關鍵是第四維。他說，一切物體都有時間以及空間的長度，時間旅行意味著我們要經過第四維。如何才能穿越第四維通道？霍金說，“蟲洞”（wormhole）提供了一種可能。蟲洞又稱時空洞，被認為是宇宙中可能存在的連線兩個不同時空的狹窄隧道。霍金認為，宇宙萬物都存在小孔或裂縫，這種基本規律同樣適用於時間，時間也有細微的裂縫和空隙。比分子、原子還要小的空隙被稱作“量子泡沫”，而蟲洞就存在於“量子泡沫”中。霍金說，也許在未來的某一天，人類能夠捕獲某一個蟲洞，並將它放大到足以使人類甚至宇宙飛船從中穿過。霍金在21歲時就患上了罕見的運動神經元疾病，全身肌肉逐漸萎縮，只有幾根手指能夠活動，後來連說話也只能依靠特製的聲音合成裝置。但在這種情況下，他在宇宙和黑洞研究等領域取得了卓越成果，贏得了全球科學界的尊敬。有媒體稱，霍金一直是在用“殘存的肢體”來表達這顆“世界最聰明大腦”裡的所思所想。為避免日漸衰弱的身體將那些彌足珍貴的思想永久“封存”，也有人在研究腦神經裝置，試圖幫助這顆“最強大腦”繞開身體的侷限，直接與外界溝通。而關於大腦與身體的關係，霍金也有自己的思考。他曾在2013年對英國《衛報》記者表示，他篤信人的大腦是可以不依附於身體而獨立存在的，而思維就像儲存在大腦中的一段程式，可以被複制。霍金說：“大腦在某種程度上就像一臺計算機，而我們可以將其中的‘程式’複製到電腦裡面，這在理論上是可行的。”