霍金的成名始于他对黑洞的研究成果。在结合了广义相对论和量子理论进行研究之后。1974年3月1日，霍金在《自然》上发表论文，阐述了自己的新发现——黑洞是有辐射的。这一发现被认为是多年来理论物理学最重要的进展，他的论文也被称为“物理学史上最深刻的论文之一”。
　　从研究黑洞出发，霍金继续探索了宇宙的起源和归宿，解答了人类有史以来一直探索的问题：时间有没有开端，空间有没有边界。1983年霍金发表了自己的研究结论：宇宙是有限的，但无法找到边际，这如同地球表面有限但无法找到边际一样；时间也是有开始的，大约始于150亿到200亿年前。
　　1988年霍金的惊世之作《时间简史：从大爆炸到黑洞》问世。这本著作被誉为人类科学史上里程碑式的佳作。至1995年10月该书发行量已超过2500万册，译成几十种语言。
　　2001年，霍金完成了《时间简史》的姐妹篇《果壳中的宇宙》。霍金还与人合作编著出版了《空间-时间的大比例结构》(1973)、《广义相对论：爱因斯坦百年评论》(1979)、《超空间和超重力》(1981)和《宇宙之始》(1983)等著作。