Kontrol motor Hawking memburuk dengan cepat. Dia segera berjalan ke kelas dengan tongkat ketiak. Namun penyakitnya mendorongnya untuk memperdalam hubungannya dengan Wilde dengan cepat. Mereka menikah pada 1965.
Setelah menerima gelar doktor dalam kosmologi, Hawking tetap tinggal di Cambridge untuk terus mempelajari beberapa pertanyaan paling penting mengenai struktur alam semesta.
Pada 1968, setahun setelah Jane melahirkan anak sulung mereka, Roger, Hawking mengambil jabatan di Institut Astronomi di Cambridge dan memulai fase dewasa dalam karir akademisnya.
Selama dekade berikutnya, Hawking menerbitkan serangkaian makalah inovatif tentang kosmologi dan fisika teoretis yang menjadikannya selebriti di komunitas ilmiah. Dia dan ahli matematika Inggris Roger Penrose menulis makalah utama di akhir 1960-an terkait dengan Big Bang, peristiwa yang menciptakan alam semesta dan juga lubang hitam.
Ia mengungkap bahwa keduanya merupakan hasil singularitas dalam struktur ruang-waktu. Pada awal 1970-an, Hawking dan beberapa fisikawan lainnya turut menulis sebuah bukti dari hipotesis bahwa semua lubang hitam dapat digambarkan hanya dalam hal massa, momentum sudut dan muatan listriknya.
Pada 1974, Hawking mengusulkan apa yang secara luas dianggap sebagai teori paling penting bahwa lubang hitam dapat memancarkan partikel subatomik, yang sekarang dikenal sebagai radiasi Hawking.
Baca juga: Temperatur Panas, Stephen Hawking: Bumi Bisa Kering Seperti Venus
Sebelum makalahnya, fisikawan yakin tidak ada yang bisa lolos dari gravitasi lubang hitam yang menghancurkan. Adanya radiasi Hawking juga menyiratkan bahwa lubang hitam pada akhirnya bisa layu dan mati, sesuatu yang sebelumnya tak terbayangkan oleh ilmuwan.