Zdecydował się odejść, kiedy okazało się, że bardziej interesuje go teoria niż obserwacja, a jedyna rzecz na jaką pozwalało oksfordzkie obserwatorium to obserwacja plam słonecznych. Przeniósł się do Trinity Hall w Cambridge, gdzie zaangażował się w astronomię teoretyczną i kosmologię. Z powodu choroby podczas swoich dwóch pierwszych lat na Cambridge był mniej aktywny, ale kiedy stan zdrowia się ustabilizował, z pomocą promotora Dennisa Williama Sciamy dającego mu angażujące wyobraźnię trudne projekty, wrócił do pracy nad doktoratem.

Po obronie pracy doktorskiej „Properties of the Expanding Universe” (Własności rozszerzających się wszechświatów, 1965) został pracownikiem naukowym, a później profesorem na Wydziale Matematyki Stosowanej oraz w Instytucie Astronomii Gonville and Caius College również w Cambridge.

W październiku 2017 roku Uniwersytet w Cambridge udostępnił pracę doktorską Hawkinga online.