霍金在理论物理学方面的主要成就有两个，一个是与英国物理学家罗杰·彭罗斯在1970年共同提出了彭罗斯－霍金奇点定理，另一个是霍金自己在1974年提出霍金辐射，这两个理论均与黑洞有关，或者说与广义相对论有关。

首先是彭罗斯－霍金奇点定理。此前，物理学家已经通过广义相对论推导出宇宙中存在一种奇特的天体，其表面逃逸速度为光速。这意味着这种天体无法辐射出光，是完全黑暗的，外界无法直接观测到，所以物理学家将其称之为黑洞。此后，霍金和彭罗斯从爱因斯坦的引力场方程中进一步推导出黑洞的中心有一个十分奇特的奇点，黑洞的所有质量全部集中在这里，而它的体积却是无穷小的，这意味着这里的密度无穷大。

基于这样的结论，这两位物理学家还认为，在138亿年前的宇宙最初时刻，宇宙也是一个奇点，任何一切都是不存在的。经过宇宙大爆炸，宇宙中的一切开始诞生，逐渐演变成今天的样子。

其次是霍金辐射。根据量子力学，宇宙真空并非完全真空，而会随机出现正反虚粒子对，并且很快又会湮灭而不复存在。但如果在黑洞表面的边缘出现这样的粒子对，那么，其中一个拥有负能量的粒子就会被黑洞吸进去，而另一个拥有正能量的粒子则会逃离黑洞。因此，黑洞会不断向外辐射出能量，导致黑洞逐渐蒸发，这就是霍金辐射。不过，这种辐射效应非常微弱，对于一个最低质量的恒星级黑洞（3倍太阳质量），通过霍金辐射完全蒸发掉所需的时间约为6×10^68年，即6万亿亿亿亿亿亿亿亿年。