ชื่อเสียงของฮอว์คิงเริ่มเป็นที่รู้จักจากงานวิจัยเกี่ยวกับหลุมดำ ฮอว์คิงสนใจเกี่ยวกับการกำเนิดและการมีอยู่ของดวงดาวรวมไปถึงหลุมดำ หลังศึกษาอย่างจริงจังฮอว์คิงพบว่าหลุมดำไม่ได้มีลักษณะเป็นสูญญากาศดังที่นักวิทยาศาสตร์เคยคาดคิดกันไว้ ในงานวิจัยก่อนหน้า โรเจอร์ เพนโรส (Roger Penrose) เสนอทฤษฎีที่ว่าหลุมดำมีแรงโน้มถ่วงมหาศาล ดังนั้นจึงไม่มีแสงหรือวัตถุใดๆ สามารถหลุดรอดออกมาจากหลุมดำได้ ด้านฮอว์คิงเสนอว่าแท้จริงหลุมดำไม่ได้เป็นเช่นนั้น หากมีบางอย่างที่สามารถหลุดรอดออกมาจากหลุมดำได้ ถ้าปรากฏอยู่บนขอบฟ้าเหตุการณ์ (Event Horizon) ซึ่งเป็นอาณาบริเวณโดยรอบของหลุมดำ  สำหรับสิ่งที่หลุดออกมาจากหลุมดำเรียกว่า “รังสีฮอว์คิง” เป็นการคายพลังงานออกมา เรียกว่าการระเหยของหลุมดำ และฟุ้งกระจายไปทั่ว  ถ้าหลุมดำไม่ได้รับมวลอื่นใดเพิ่มเข้ามา มันก็จะหดตัวลงและหายไปในที่สุดเพราะการคายพลังงานนี้   ฮอว์คิงเชื่อว่ารังสีเหล่านี้มีข้อมูลที่อาจบ่งชี้ถึงการกำเนิดและการสูญสลายของดวงดาวที่ผ่านๆ มาได้

นั่นหมายความว่ามีความเป็นไปได้ที่นักวิทยาศาสตร์สามารถหาว่าเกิดอะไรขึ้นกับอดีตที่ผ่านมา ไปจนถึงการทำนายอนาคต การค้นพบครั้งนี้ส่งผลให้ฮอว์คิงได้รับรางวัลอัลเบิร์ต ไอสไตน์ รวมถึงรางวัลอื่นๆ อีกมากมาย และถือได้ว่าเป็นการปฏิวัติวงการวิทยาศาสตร์ฟิสิกส์ครั้งใหญ่

“คำแนะนำจากผมสำหรับผู้พิการทุกคน จงตั้งมั่นในสิ่งที่คุณทำได้ดี แม้ความพิการก็ไม่อาจขัดขวางได้ และอย่าเสียใจกับสิ่งที่คุณทำไม่ได้เพียงเพราะคุณพิการ อย่าให้จิตวิญญาณของคุณบกพร่องไปเช่นร่างกาย” – สตีเฟน ฮอว์คิง