Teoretický fyzik a astrofyzik i přes své hendikepy pracoval na takovýchúkolech, jako bylo teba v počátcích jeho kariéry (1965 - 1970) rozpracování teorie Velkého třesku. Vesmír na svém počátku obsahoval singularitu; veškerá hmota celého vesmíru byla stlačena do jednoho bodu. Po uvolnění (onen velký třesk) následovalo prudké rozpínání. Hawking později popsal také první okamžiky po vzniku vesmíru.

V roce 1975 učinil Hawking svůj největší objev. Popsal chování černých děr, které vznikají za splnění určitých podmínek na konci života hvězd. Hvězda zkolabuje svou vlastní gravitací a získá minimální velikost. Takový objekt má obrovskou hustotu a tak velkou gravitaci, že fotony nemohou opustit jeho gravitaci. Hawking navázal na teorie R. Penrose a doplnil je o tzv. kvantové vypařování černých děr, které se označuje jako Hawkingův efekt. Podle této teorie nemůže černá díra kumulovat energii donekonečna. Z černé díry by tedy mělo podle Hawkinga vycházet gama záření a rentgenové záření, což může za určitých podmínek vést až k zániku černé díry.

Úvahy o tom, že černá díra emituje částice, nasvědčují, že bůh nejenže v kostky hraje, ale občas je hází i tam, kde je nikdo nemůže vidět.

Stephen Hawking je znám široké veřejnosti také díky své publikační činnosti. Bestsellery se staly knihy Stručná historie času nebo Vesmír v kostce.