霍金最重要的遗产是黑洞热力学，它提出了一些关于量子引力和量子信息理论的基本问题和尚未解决的问题。
黑洞热力学不是霍金一手建立的。他以Yakov Zel 'dovich和Jacob Bekenstein等人的早期作品为基础。霍金在1974年发表的计算表明，量子力学要求热辐射从黑洞的视界中产生（现在通常称为霍金辐射），是一个非常重要的理论结果，它阐明了通常的热力学定律是如何适用于像黑洞这样的奇异物体的。这一结果在过去的半个世纪里激发了理论物理学的大量工作，并帮助构建了各种仍未得到解答的基本问题，特别是黑洞信息悖论。
作为理论物理学家，霍金还做了许多其他重要的事情。他早期的工作涉及爱因斯坦的经典广义相对论，并收录在1973年与乔治·埃利斯合著的教科书《时空的大尺度结构》中。在罗杰·彭罗斯的帮助下，霍金证明了广义相对论定律在特定的一般条件下必然会失效（参见彭罗斯-霍金的奇点定理）。他写了一篇原始论文，表明宇宙膨胀可以解释宇宙当前星系结构的起源。他和吉姆·哈特尔一起，提出了宇宙波函数的无边界条件（参见哈特尔-霍金状态），这是他1988年出版的大获成功的畅销书《时间简史》。
