Ao terminar o doutorado, passou a ser pesquisador e mais tarde se tornou professor em Cambridge. Iniciou seus estudos em singularidades e buracos negros. Deixou o Instituto de Astronomia, em 1973.
Em 1979 entrou para o Departamento de Matemática Aplicada e Física Teórica. Ocupou a cátedra de professor Lucasiano em Matemática. Permanecendo até 2009.

O artigo “Black Hole Explosion" (explosão do buraco negro) é publicado em 1974. Onde apresenta a teoria que o proporcionou notoriedade.

Publica a teoria da ausência de fronteiras, em 1982, que descreve como o universo pode ter surgido do nada.

Em 1985 tem uma pneumonia e quase morre. Passa por uma traqueostomia, que o impede de falar de forma natural.

O livro “Uma breve história do tempo” é publicado em 1988 e tem recorde de vendas. O que torna Hawking um dos cientistas mais conhecidos do grande público.
Elaine Mason era sua enfermeira e se tornou sua segunda esposa em 1995. Eles se separaram em 2006.

Stephen Hawking morreu no dia 14 de março de 2018, aos 76 anos de idade.

Hawking provou que as singularidades (lugares onde o espaço-tempo é infinitamente curvado devido à grande gravidade) podiam ser produzidas dentro dos buracos negros. Hawking chegou a concluir que o início do Universo ocorreu na expansão de uma singularidade.

Hawking determinou que a área total da superfície de um buraco negro jamais ficará menor – ela só aumentará ou ficará igual.  Essa regra é análoga à segunda lei da termodinâmica, que determina que a entropia de um sistema fechado só aumenta, nunca diminui.

A proposta do item anterior foi desbancada pelo próprio Hawking quando ele descobriu que, devido a efeitos quânticos, buracos negros criam e emitem partículas. Com isso, eles perdem massa e energia,  o que significa que, se não ganharem massa devido a outro meio, eles acabarão diminuindo progressivamente até deixarem de existir.  Mas é claro que esse seria um processo extremamente lento: para um buraco negro com a mesma massa do Sol evaporar, seria preciso mais tempo do que a atual idade do Universo.