第六章“黑洞”，较为详细地介绍了人们对黑洞的认识，叙述了黑洞的形成过程以及霍金本人在研究黑洞过程中的新发现。自1969年美国科学家约翰·惠勒提出“黑洞”这一术语之后，引起了天文学家的广泛讨论和重视。惠勒关于黑洞的这一思想可以追溯到1783年剑桥大学的约翰·米歇尔那里。米歇尔在一篇文章中指出，一个质量和密度都足够大的恒星会有如此强大的引力场，以至于连光线也逃逸不出来，任何从恒星的表面发出来的光，还没有到达远处就被恒星的引力吸引回来。米歇尔所描述的这种天体，正是我们现在所称之为黑洞的天体。为了让人们理解黑洞是如何形成的，霍金对恒星的生命过程作了描述：“起初，大量的气体(大部分为氢)受自身的引力吸引，而开始向自身坍缩而形成恒星。当它收缩时，气体原子相互越来越频繁地以越来越大的速度碰撞——气体的温度上升。最后，气体变得如此之热，以至于当氢原子碰撞时，它们不再弹开而是聚合形成氦。如同一个受控氢弹爆炸，反应中释放出来的热使得恒星发光。这增添的热又使气体的压力升高，直到它足以平衡引力的吸引，这时气体停止收缩。这有一点像气球——内部气压试图使气球膨胀，橡皮的张力试图使气球缩小，它们之间存在一个平衡。从核反应发出的热和引力吸引的平衡，使恒星在很长时间内维持这种平衡。然而，最终恒星会耗尽了它的氢和其他核燃料。”恒星耗尽了燃料之后，它就开始变冷并开始收缩，最后发生坍塌而变成黑洞。霍金与罗杰·彭罗斯在1965年至1970年问根据广义相对论对黑洞所作出的研究指出：“在黑洞中必然存在无限大密度和空间——时间曲率的奇点。这和时间开端时的大爆炸相当类似，只不过它是一个坍缩物体和航天员的时间终点而已。在此奇点，科学定律和我们的预言将来的能力都失效了。然而，任何留在黑洞之外的观察者，将不会受到可预见性失效的影响，因为从奇点出发的不管是光还是任何其他信号都不能到达他那儿。”1970年，霍金的一个同事布兰登·卡特对黑洞又作了进一步的猜测：“假定一个稳态的旋转黑洞，正如一个自旋的陀螺那样，有一个对称轴，则它的大小和形状，只由它的质量和旋转速度所决定。”黑洞，这样一个科学史上极为罕见的情形，科学家们在没有任何观测到的证据以证明他们的理论是正确的情况下，他们用非常精密的数学模型来说明他们的理论，从而推动了人类认识的进步。
第七章“黑洞不是这么黑的”，介绍了霍金关于黑洞的一个新观点。霍金认为，黑洞不是像有的人所想像的那样是绝对黑的，而是像一个热体一样会发光，而且黑洞越小发出的光就越强烈。霍金在和罗杰-彭罗斯讨论将黑洞定义为不能逃逸到远处的事件集合的想法时，涉及到一个范畴，即黑洞边界，也可称作事件视界。它是由刚好不能从黑洞逃逸出来，而永远只在其边缘上徘徊的光线在空间一时间里的路径所形成的。霍金意识到，这些光线的路径永远也不可能互相靠近。因为如果他们互相靠近了，就必然会互相撞上。因而事件视界上光线的路径必须永远是互相平行的或呈散开状态的。如果从事件视界来的光线永远也不可能互相靠近，则事件视界的面积可以保持不变或者随时间的发展而增大。实际上，只要物质或辐射落到黑洞中去，黑洞边界的面积就必然会增大；或者如果两个黑洞发生碰撞并合成一个黑洞，那末后者的事件视界的面积就会大于或等于前者的事件视界面积的总和。由此可见，事件视界的非减性为黑洞的可能行为加上了重要的限制。霍金在此基础上，提出了黑洞辐射的观点。起初，霍金不相信旋转黑洞会产生和辐射粒子，他通过多次计算，发现甚至非旋转黑洞也以不变的速率产生和发射粒子。霍金说：“我们知道，任何东西都不能从黑洞的事件视界之内逃逸出来，何以黑洞会发射粒子呢？量子理论给我们的回答是，粒子不是从黑洞里面出来，而是从紧靠黑洞的事件视界的外面的‘空’的空间来的！我们可以用以下的方法去理解它：我们以为是‘真空’的空间不能是完全空的，因为那就会意味着诸如引力场和电磁场的所有场都必须刚好是零。然而场的数值和它的时间变化率如同不确定性原理所表明的粒子位置和速度那样，对一个量知道得越准确，则对另一个量知道得越不准确。所以在空的空间里场不可能严格地被固定为零，因为那样它就既有准确的值(零)又有准确的变化率(也是零)。场的值必须有一定的最小的不准确量或量子起伏。人们可以将这些起伏理解为光或引力的粒子对，它们在某一时刻同时出现、互相离开、然后又互相靠近而且互相湮灭。”霍金还在该章中探索了太初黑洞及其辐射的情况。黑洞辐射的思想是对传统观念的挑战，它的提出具有十分重要的意义。这种具有创造性的思想从一开始就遭到了来自各个方面的反对，但随着时间的推移，它受到越来越多的人承认和重视。
第八章“宇宙的起源和命运”，介绍了人类关于宇宙的起源和终结的认识以及霍金对这个问题的观点。
霍金在该章的一开始就指出：“爱因斯坦广义相对论本身预言了：空间一时间在大爆炸奇点处开始，并会在大挤压奇点处(如果整个宇宙坍缩的话)或在黑洞中的一个奇点处(如果一个局部区域，譬如恒星要坍缩的话)结束。任何抛进黑洞的东西都会在奇点处被毁灭，只有它的质量的引力效应能继续在外面被感觉得到。另一方面，当计人量子效应时，物体的质量和能量会最终回到宇宙的其余部分，黑洞和在它当中的任何奇点一道被蒸发掉并最终消失。量子力学对大爆炸和大挤压奇点也能有同样戏剧性的效应吗？在宇宙的极早或极晚期，当引力场是如此之强，以至于量子效应不能不考虑时，究竟会发生什么？宇宙究竟是否有一个开端或终结？如果有的话，它们是什么样子的？”霍金在20世纪的整个70年代，把主要精力都投入到了研究黑洞上。1981年，他在梵蒂冈召开的宇宙学会议上，提出了宇宙在空间和时间上是有限而无界的观点。霍金为了说明自己的这一观点，介绍了宇宙“热大爆炸模型”及其思想。在这个模型中，当宇宙膨胀时，其中的任何物体或辐射都变得更凉。在宇宙大爆炸的一瞬间，宇宙体积被认为是零，所以是无限热。随着宇宙的膨胀，辐射的温度不断降低。大爆炸后的1秒钟，温度降低到约为100亿度，此时宇宙中主要包含光子、电子和中微子以及它们的反粒子，还有一些质子和中子。随着宇宙的继续膨胀，温度继续不断地降低，电子／反电子对在碰撞中的产生率就落到它们湮灭率之下。这样，就剩下很少的电子，而大部分电子和反电子相互湮灭，产生出更多的光子。在大爆炸发生后的大约100秒，温度大约降到了10亿度，这个温度是最热的恒星内部的温度。在这个温度下，质子和中子不再有足够的能量逃脱强核力的吸引，开始产生重氢的原子核。大爆炸发生后的几个小时之内，氦与其他元素的产生就停止了，随后的100万年左右，宇宙仅仅只是在继续膨胀，并没有发生别的什么情况。当温度降低到几千度时，电子和核子已经不再有足够的能量去抵抗它们之间的电磁吸引力，于是，它们便开始结合，组成了原子。宇宙在继续膨胀过程中，在一个较为密集的区域，膨胀就会因额外引力的吸引而逐渐慢下来。这时，一些区域的膨胀就会停止并开始坍缩。霍金还在该章中论述了人择原理及其意义，介绍了宇宙膨胀模型及其意义，详细地阐述了他提出的“宇宙无边界”模型的思想。
第九章“时间箭头”概述了人类在20世纪关于时间特性的认识过程。霍金在该章一开始便指出：“直到本世纪初，人们还相信绝对时间。也就是说，每一事件可由一个称为‘时间’的数以惟一的方式来标记，所有好的钟在测量两个事件之间的时间间隔上都是一致的。然而，对于任何正在运动的观察者光速总是一样的这一发现，导致了相对论；而在相对论中，人们必须抛弃存在一个惟一的绝对时间的观念。”霍金认为，当人们试图把引力理论和量子力学统一起来时，必须引入虚时间的概念。虚时间是不能与空间方向相区别的。在虚时间中，一个人能往前走，也能掉转过来往后走，并且往前和往后没有什么重要的差别。而在实时间中，往前与往后存在着非常巨大的差别。霍金说：“时间箭头将过去和将来区别开来，使时间有了方向。至少有三种不同的时间箭头：第一个，是热力学这个时间箭头，即是在这个时间方向上无序度或熵增加；然后是心理学时间箭头，这就是我们感觉时间流逝的方向，在这个方向上我们可以记忆过去而不是未来；最后，是宇宙学时间箭头，在这个方向上宇宙在膨胀，而不是收缩。”霍金也指出，只有当这三个箭头指向同一方向时，随着宇宙的膨胀，无序度才不断增加，有智慧的生命才发展出来。
第十章“物理学的统一”，主要介绍了人们对完整的统一理论的认识过程以及这个理论的重要意义。霍金指出，人们希望找到一个完整的、协调的，将所有这些部分理论当作它的近似的统一理论。寻找这样一个理论在科学上被称之为“物理学的统一”。爱因斯坦在晚年用了他的大部分时间去寻求这样一个统一理论，但由于那时人们对核力还知之不多，所以爱因斯坦的探索没有成功。把弱核力、强作用力和电磁力统一起来的“大统一理论”，并不能让人感觉到十分满意，因为它没有包括引力。要找到一个将引力和其他力相统一的理论，就不能仅限于广义相对论理论，而必须把量子力学不确定性原理结合在其中。因此，只有把广义相对论和量子力学结合起来，才有可能探索到真正的完整统一理论。霍金还介绍了试图把广义相对论和量子理论结合起来的超引力理论和弦理论，这两种理论为人类探索完整的统一理论作出了重要贡献。
第十一章“结论”简明扼要地概括了这本书中所论述的主要问题，正如霍金所指出的那样：“在本书中，我特别将制约引力的定律突出出来，因为正是引力使宇宙的大尺度结构成形，即使它是四类力中最弱的一种。引力定律和直到相当近代还被坚持的宇宙随时间不变的观念不相协调：引力总是吸引的这一事实意味着，宇宙必须或者在膨胀或者在收缩。按照广义相对论，宇宙在过去的某一时刻必须有一无限密度的状态，亦即大爆炸，这是时间的有效起始。类似地，如果整个宇宙坍缩，在将来必有另一个无限密度的状态，即大挤压，这是时间的终点。即使整个宇宙不坍缩，在任何坍缩形成黑洞的局部区域里都会有奇点。”他还说：“当我们将量子力学和广义相对论相结合，似乎产生了以前从未有过的新的可能性：空间和时间一起可以形成一个有限的、四维的没有奇点或边界的空间，这正如地球的表面，但有更多的维数。看来这种思想能够解释观察到的宇宙的许多特征，诸如它的大尺度一致性，还有像星系、恒星甚至人类等小尺度的对此均匀性的偏离。它甚至可以说明我们观察到的时间的箭头。”霍金对探索完整的统一理论的途径和方法作了论述，同时也高度评价了这一理论的意义。他认为，假如宇宙是完全自足的，没有奇点或边界，并且完全可以由统一理论解释和说明，那末作为造物主的上帝还有存在的必要吗？他实际上是对上帝创造世界的教义提出了挑战，也表明了他在探索宇宙奥秘时所抱的科学态度。
在附录中，除了爱因斯坦、伽利略和牛顿的传略之外，还有该书中的名词解释。这一部分内容对于读者理解霍金的理论和观点有很大帮助。
《时间简史》一书简明扼要地论述了人类对宇宙认识和探索的历史，将现代物理学的两大理论——量子理论和广义相对论结合起来，提出了关于时间、空间、大爆炸和黑洞的具有创新性的认识，为探索完整的统一理论而迈出了坚实的一步。这本书既概括了人类历史上伟大的思想家、科学家对宇宙奥秘的艰辛探索和伟大贡献，也集中介绍了霍金本人几十年来在天文物理学研究中的突破和进展。它之所以在出版发行以来在全世界受到了极为热烈的欢迎，除了它概括了当代物理学中最尖端、人们最为关注的问题之外，还在于它的语言通俗易懂，整本书中几乎没有数学符号和方程式。霍金的《时间简史》对人们的影响是相当强烈和深刻的，以至于使人们对宇宙的兴趣达到了有史以来空前的程度。随后，霍金的另外两本书《时间简史续编》和《霍金讲演录》也取得了很大的成功，一时间，人们谈论的一个重点话题就是宇宙、黑洞和大爆炸，关于这方面的书也出版了一大批，一直都保持着比较畅销的势头。这不能不说与霍金和他的《时间简史》有着密切的联系。霍金对于唤起人们对宇宙的兴趣方面功不可没。
