ฮอว์กิงเริ่มทำงานในสาขาสัมพัทธภาพทั่วไป และเน้นที่ฟิสิกส์ของหลุมดำ เมื่อปี พ.ศ. 2508 ขณะที่กำลังทำงานวิจัยสำหรับดุษฎีนิพนธ์เพื่อทำดุษฎีบัณฑิต ฮอว์กิงได้อ่านรายงานของนักคณิตศาสตร์และนักฟิสิกส์ ชื่อ โรเจอร์ เพนโรส (Roger Penrose) ซึ่งเพนโรสเสนอทฤษฎีที่ว่าดวงดาวที่ระเบิดอยู่ภายใต้แรงโน้มถ่วงของตัวเอง จะมีปริมาตรเป็นศูนย์ และมีความหนาแน่นเป็นอนันต์ อันเป็นสภาพที่นักฟิสิกส์เรียกว่า ซิงกูลาริตี้ (singularity) ผลลัพธ์ที่ได้ก็คือหลุมดำ ซึ่งไม่ว่าแสงหรือวัตถุใด ๆ ก็หนีออกมาไม่ได้

จากนั้น ในปี พ.ศ. 2513 ฮอว์กิงและเพนโรสก็ได้ร่วมกันเขียนรายงานสรุปว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ นั้นกำหนดให้เอกภพต้องเริ่มต้นในซิงกูลาริตี้ ซึ่งปัจจุบันนี้รู้จักกันว่า บิ๊กแบง และจะสิ้นสุดลงที่ หลุมดำ

ฮอว์กิงเสนอว่า หลุมดำไม่ควรจะเป็นหลุมดำเสียทีเดียว แต่ควรจะแผ่รังสีอะไรออกมาบ้าง โดยเริ่มที่วัตถุจำนวนมหาศาลนับพันล้านตัน แต่มีความหนาแน่นสูง คือกินเนื้อที่ขนาดเท่าโปรตอน เขาเรียกวัตถุเหล่านี้ว่าหลุมดำจิ๋ว (mini black hole) ซึ่งมีแรงโน้มถ่วงและมวลมหาศาล แต่สุดท้ายหลุมดำนี้ก็จะระเหิดหายไป การค้นพบนี้ถือเป็นงานชิ้นเยี่ยมชิ้นหนึ่งของฮอว์กิง

เมื่อ ปี พ.ศ. 2517 เขาได้เป็นสมาชิกที่มีอายุน้อยที่สุดของราชบัณฑิตยสถานของอังกฤษ และได้รับตำแหน่งศาสตราจารย์สาขาฟิสิกส์แรงโน้มถ่วง ที่มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ในปี พ.ศ. 2520 และเมื่อในปี พ.ศ. 2522 ก็ได้รับการแต่งตั้งเป็น “เมธีคณิตศาสตร์ลูเคเชียน” (Lucasian Chair of Mathematics - เป็นตำแหน่งที่ตั้งขึ้นครั้งแรกเมื่อ พ.ศ. 2206 (ตรงกับรัชสมัยสมเด็จพระนารายณ์มหาราช) บุคคลที่ 2 ที่ได้รับตำแหน่งนี้ก็คือ เซอร์ไอแซก นิวตัน คนทั่วไปจึงเปรียบเทียบสตีเฟน ฮอว์กิง กับนิวตันและไอนสไตน์)

สตีเฟน ฮอว์กิงคิดว่ามีความเป็นไปได้ที่นักฟิสิกส์จะพัฒนาทฤษฎีที่จะรวมเอาแรงทั้ง 4 ของธรรมชาติเข้าด้วยกัน นั่นคือ แรงโน้มถ่วง, แรงแม่เหล็กไฟฟ้า, แรงนิวเคลียร์แบบอ่อน และแรงนิวเคลียร์แบบเข้ม อันจะนำไปสู่ ทฤษฎีสรรพสิ่ง (Theory of Everything) ที่เคยกล่าวกันมา ส่วนเรื่องการขยายตัวของเอกภพนั้น ฮอว์กิงคิดว่า เอกภพขยายตัวออกไปโดยมีความเร่ง