Hawking mengkhususkan penyelidikannya dalam bidang kosmologi teori, graviti kuantum, dan teori string. Pada tahun 1971, beliau berusaha sama dengan Sir Roger Penrose untuk memberikan sokongan matematik kepada teori Letupan Besar ("Big Bang") mengenai asal alam semesta; jika teori relatif am adalah betul, alam semesta harus mempunyai ketunggalan, iaitu titik permulaan dalam ruang-masa. Hawking juga mencadangkan bahawa, selepas Letupan Besar, lohong-lohong hitam mini yang primordial telah dibentukkan. Beliau menunjukkan bahawa, jika kesan-kesan mekanik kuantum tidak diambil kira, luas permukaan bagi sesuatu lohong hitam boleh berkembang, tetapi tidak boleh berkurang, dan mengatakan bahawa sesuatu lohong hitam yang tunggal tidak boleh dipecahkan menjadi dua buah lohong hitam yang berasingan. Hawking juga memperhitungkan had untuk sinaran yang dipancarkan sewaktu lohong-lohong hitam berlanggar.

Pada tahun 1974, Hawking memperhitungkan bahawa lohong-lohong hitam mencipta dan memancarkan zarah-zarah subatom secara terma sehingga tenaganya dihabiskan dan kemudian meletup. Digelar sinaran Hawking, teori ini merupakan teori pertama yang memberikan kaitan matematik antara graviti, mekanik kuantum, dan termodinamik. Pada tahun 1981, Hawking mencadangkan bahawa, walaupun alam semesta tidak mempunyai sempadan, ia adalah terhingga dalam ruang-masa. Pada tahun 1983, beliau mengemukakan bukti matematiknya untuk menyokong kenyataan itu.