霍金的研究領域是引力與黑洞。他的主要貢獻有兩個：奇點定律(1970)與霍金輻射(1974)。奇點定理：他和彭羅斯一起開創性地運用拓撲學的方法，證明廣義相對論方程導致奇點解，間接地證明了大爆炸奇點的存在。

霍金輻射：運用彎曲時空背景下的量子場論方法，證明黑洞像熱力學黑體一樣對外輻射。這是廣義相對論和量子力學相結合的第一個典範，具有特殊的重要性。

霍金的主要工作都作於上世紀60年代末70年代初黑洞研究大發展時期，他的早期工作對引力與黑洞領域起到了非常大的促進作用。其證明了廣義相對論的奇性定理和黑洞面積定理，提出了黑洞蒸發現象和無邊界的霍金宇宙模型。在統一20世紀物理學的兩大基礎理論——愛因斯坦創立的相對論和普朗克創立的量子力學方面走出了重要一步。

霍金認為他一生的貢獻是，在經典物理的框架裡，證明了黑洞和大爆炸奇點的不可避免性，黑洞越變越大；但在量子物理的框架裡，他指出，黑洞因輻射而越變越小，大爆炸的奇點不但被量子效應所抹平，而且整個宇宙正是起始於此。