Từ năm 1973, Hawking bắt đầu chuyển sang nghiên cứu hấp dẫn lượng tử và cơ học lượng tử. Đề tài nghiên cứu này được dấy lên sau một chuyến thăm tới Moskva và những cuộc thảo luận với Yakov Borisovich Zel'dovich và Alexander Starobinsky, công trình của họ chỉ ra rằng theo nguyên lý bất định các hố đen quay phát ra các hạt. Gây phiền rà cho Hawking, những tính toán được kiểm tra nhiều lần của ông cho ra những phát hiện mâu thuẫn với định luật của ông, vốn khẳng định rằng các hố đen không bao giờ co lại (chỉ giữ nguyên hoặc lớn lên), và ủng hộ lập luận của Bekenstein về entropy của chúng. Các kết quả, được Hawking trình bày năm 1974, chỉ ra rằng hố đen phát ra bức xạ - mà ngày nay được gọi là bức xạ Hawking - cho đến khi chúng cạn kiệt năng lượng và bay hơi. Ban đầu, bức xạ Hawking gây nhiều tranh cãi. Nhưng đến cuối những năm 1970 và sau những công bố nghiên cứu sâu hơn, khám phá này được chấp nhận rộng rãi như một đột phá quan trọng trong vật lý lý thuyết. Tháng 3 năm 1974, vài tuần sau khi công bố bức xạ Hawking, Hawking trở thành thành viên của Hội Hoàng gia, và là một trong những nhà khoa học trẻ tuổi nhất từng nhận vinh dự này.