Berühmt wurde er in den 1960er Jahren durch den Beweis der Notwendigkeit der Existenz von Singularitäten in der allgemeinen Relativitätstheorie unter sehr allgemeinen Voraussetzungen.
1974 entwickelte er das Konzept der „Hawking-Strahlung“, nach dem Schwarze Löcher in der Quantenfeldtheorie zerstrahlen. Er versuchte damals, das 1973 von Jacob Bekenstein eingeführte Konzept der Entropie Schwarzer Löcher quantenmechanisch zu
verstehen und fand zu seiner eigenen Überraschung, dass Schwarzen Löchern eine Strahlung zugeordnet werden konnte – eine seiner bedeutendsten Entdeckungen.
In den 1980er Jahren entwickelte Hawking mit James Hartle einen Zugang zur Quantengravitation und deren Kosmologie über eine euklidische Pfadintegralformulierung.
Hartle und Hawking entdeckten den so genannten no boundary proposal und sahen darin eine natürliche Formulierung für Probleme der Quantenkosmologie .
Ursprünglich favorisierte Hawking aufgrund seiner Theorie geschlossene Universen, in den 1990er Jahren zeigte er aber mit Neil Turok, dass auch offene inflationäre Universen als Lösung im no boundary proposal möglich sind.
In der Quantenmechanik entspricht das einer „nicht unitären“, die Wahrscheinlichkeiten nicht erhaltenden Zeitentwicklung, was den Prinzipien der Quantenmechanik entgegenläuft.
Das Problem spielt eine wichtige Rolle in der Quantengravitation und war dort seit der Formulierung des Problems durch Hawking 1975 Gegenstand kontroverser Debatten.
Gegner von Hawking waren zum Beispiel Leonard Susskind und Gerardus ’t Hooft, die im Gegensatz zu Hawking für eine Gültigkeit der Quantenmechanik auch im Bereich Schwarzer Löcher eintraten.
Susskind veröffentlichte darüber sogar ein Buch. Es besteht nach wie vor kein Konsens über
die Lösung des Problems. Der bekannte Gravitationstheoretiker Kip Thorne beispielsweise weigerte sich im Gegensatz zu Hawking, den Verlust der Wette anzuerkennen.
Hawkings letzte wissenschaftliche Arbeit.