Основные работы Хокинга посвящены общей теории относительности, теории тяготения, теоретической астрофизике (гравитационный коллапс, черные дыры). В середине 1960-х годов Хокинг (совместно с Пенроузом) показал, что даже если Вселенная неоднородна, то, учитывая характер ее расширения на современном этапе эволюции в свете эйнштейновской теории тяготения, приходится сделать вывод, что в прошлом ее плотность была неизмеримо большей. В середине 1970-х годов Хокинг разработал теорию «испарения» черных дыр вблизи их поверхности вследствие квантовых эффектов и рождения пар частиц и античастиц. Согласно прежней теории, эти объекты не могли терять массу.

В начале 1980-х годов Хокинг вместе с Дж.Хартлом выдвинул т.н. «предположение об отсутствии границ». Ранее считалось, что состояние Вселенной на момент Большого Взрыва не поддается анализу. Правильность предположения Хокинга – Хартла вряд ли когда-нибудь удастся проверить, но оно дало специалистам по космологии основу для плодотворных дискуссий.