黑洞是爱因斯坦广义相对论最著名的预测之一，它的质量之大、产生的引力场之强，让其周围的任何辐射和物质都无法逃脱。这仿佛一个无底洞，任何物质一旦进去，就似乎永远没有出头之日，如同热力学上完全不反射光线的黑体，因此称它为“黑洞”。
关于黑洞的“黑”，早在200多年以前，法国和英国就有学者提出：“一个质量足够大但体积足够小的致密恒星会产生强大的引力场，以至于连光线都不能从其表面逃逸，因此它对我们来说是完全‘黑’的。”后来，1915年爱因斯坦发表广义相对论，美国物理学家奥本海默依据广义相对论证实了黑洞的存在：黑洞的边界被称为“视界”，如果某个天体的半径小于史瓦西半径，那么这个天体就应该是“黑”的，因为它的自身我们无法看到。
黑洞之所以被认为是“黑”的，在于其引力行为和事件视界上。“引力行为”我们很好理解，即任何物质都无法逃脱其强大的引力场，一旦靠近就会被吞噬，这就如同一个无底的黑洞一样。“事件视界”则是指，只有在事件视界之外的物质才会被人们所感知和察觉，而在事件视界之内的任何东西我们都无从知晓，即使是光线也无法逃脱黑洞引力的控制。所以，我们说黑洞是“黑”的，就如同一条单行道，只能进去，不能出来。
霍金对黑洞的研究，为宇宙中最致密的天体行为提供了很多可能性解释及参考，但是2014年1月24日，霍金在发表的一篇《黑洞的信息保存与气象预报》论文中提出，“宇宙中没有黑洞”，存在“灰洞”。这个理论震惊了物理学界，乃至整个世界。在这一理论当中，霍金指出，黑洞其实只是一个拥有极端物理条件的“灰色地带”，进入黑洞之中的物质不会被永久封闭或者消失，而是可以再“回”到宇宙当中，它们会在某个节点被“释放”出来。在这里，霍金提出“灰洞”理论，并不是说黑洞真的不存在，而是为了化解广义相对论与量子理论在黑洞当中的矛盾。
霍金说：“在经典理论中，黑洞不会放过任何东西，量子理论允许能量和信息逃离黑洞。”这就是二者的矛盾之处。很多年里，霍金一直证明各种假设和推测来解释这一自相矛盾的说法，但是一直没有结果，以至于“问题的正确解释仍然是一个谜”。
根据爱因斯坦的广义相对论，由于重力的存在，黑洞是存在明显边界的，只是它与宇宙当中的其他区域没有明显的区别，因而未被人们所发觉。之前科学家做过这样一个假设：如果一名宇航员不幸落入黑洞会是什么样的结果？为此，物理学家们根据广义相对论，假设宇航员在不知情的情况下落入黑洞，那么他会在黑洞的核心奇点处灰飞烟灭。后来，又有科学家依据量子理论推导出，宇航员无法到达黑洞的核心，黑洞的视界是一片类似“火墙”的区域，宇航员会在这里就被直接“烧焦”。而霍金认为，人们此前对黑洞的边界理论认识是不完善的，量子在黑洞周围会造成剧烈的时间空间波动，所以黑洞周围“火墙”一样的边界是根本不存在的。
也就是说，事件视界理论需要进一步完善。霍金的“灰洞”理论认为，与传统的事件视界理论不同，黑洞与外界真实的边界应该是一个更加“温和”的“视边界”，而非对立鲜明的“防火墙”。霍金指出，黑洞能够从宇宙中吸收物质和信息，同样也会向外辐射信息，所有的物质和能量在被黑洞困住一段时间之后，就会被重新释放到宇宙当中，而光线也是可以穿越视界的。“在经典理论中，光无法从黑洞中逃脱，在量子理论中，能量和信息可以做到。”当光线逃离黑洞核心时，它的运动就像人在跑步机上奔跑一样，慢慢地通过向外辐射而收缩。关于黑洞的边界，可能存在一个比较明显的“地平线”，其内部量子的波动是黑洞仿佛一个灰色地带，但是不违反任何的广义相对论和量子力学。
霍金在《黑洞的信息保存与气象预报》中指出，“由于无法找到黑洞的具体边界，因此黑洞是不存在的”。过去经典黑洞理论认为，黑洞外部的物质和辐射都可以通过视界被吸入黑洞的内部，但是黑洞内部的信息则无法穿过视界离开黑洞。霍金承认自己最初关于事件视界的认识是错误的，因此提出了最新的“灰洞”理论。
早在2004年，霍金其实就曾经提出过类似的说法。在第十七届国际广义相对论和万有引力大会上，霍金指出黑洞并非和传统认为的那样，对周遭一切都只是吞噬而不释放。而“灰洞”理论的提出，更有力地解释和说明了自己的观点。
在“灰洞”理论之前，霍金就提出了“霍金辐射”理论，并通过计算论证出黑洞的蒸发现象。当然，这是从量子力学理论的角度出发去研究的。“灰洞”理论的提出，也得到了很多科学家的认可，在此之前，美国波士顿大学的K.Brecher就提出过存在灰洞的可能性——很多大质量的恒星坍塌后不足以形成黑洞，而是有可能形成比较典型的类似中子星的星体。一般衡量黑洞的标准参考值是其质量要达到太阳的3倍之上，而这些星体不足以达到。灰洞具有不同于中子星的性质，这主要是因为它们塌缩程度的不同。在可见光波段看不见大于太阳质量3倍的星体可能就是很暗的灰洞，而并非黑洞。
同时，霍金也指出，受黑洞强大的引力的影响，被黑洞吸收的物质和能量最终会被释放出去。不过，虽然它们在黑洞之内不会被毁灭，但是会被完全打乱，逃离之后可能会面目全非。