Hawking lo rằng sẽ bị xem là một sinh viên lười nhác và khó tính, nên tại buổi vấn đáp khi được yêu cầu mô tả kế hoạch tương lai của mình, ông trả lời "Nếu các vị trao cho tôi hạng Nhất, tôi sẽ tới Cambridge. Nếu tôi nhận hạng Nhì, tôi sẽ ở lại Oxford, vì vậy tôi hi vọng các vị cho tôi hạng Nhất." Kết quả ông được hạng Nhất ngoài mong đợi: Berman bình luận rằng giám khảo "đủ thông minh để nhận ra rằng họ đang nói chuyện với ai đó thông minh hơn nhiều phần lớn người trong số họ". Với bằng cử nhân hạng nhất tại Oxford và sau một chuyến du lịch tới Iran cùng với một người bạn, Hawking bắt đầu vào học bậc trên đại học tại Trinity Hall (Đại học Cambridge) từ tháng 10 năm 1962.


Sau khi có kết quả chẩn đoán, Hawking rơi vào trầm uất; mặc dù các bác sĩ khuyên ông tiếp tục học hành, ông cảm thấy chẳng còn mấy ý nghĩa. Tuy nhiên cùng thời gian đó, mối quan hệ của ông với Jane Wilde, bạn của em gái ông, người mà ông gặp ít lâu trước khi chẩn đoán bệnh, tiếp tục phát triển. Hai người đính hôn vào tháng 10 năm 1964. Sau này Hawking nói rằng việc đính hôn đã "cho ông điều gì đó để sống vì nó." Mặc cho căn bệnh ngày càng diễn tiến xấu đi-Hawking bắt đầu khó có thể đi mà không có giúp đỡ, và giọng của ông hầu như không thể hiểu được-ông giờ đây quay trở lại công việc với niềm hứng thú. Hawking bắt đầu nổi danh về trí tuệ xuất chúng cũng như tính cách ngược ngạo khi ông công khai thách thức công trình của Fred Hoyle và sinh viên của ông này, Jayant Narlikar, trong một bài thuyết trình tháng 9 năm 1964.


Khi Hawking bắt đầu làm nghiên cứu sinh, có nhiều tranh cãi trong cộng đồng vật lý về các lý thuyết đang thịnh hành liên quan tới sự khai sinh vũ trụ: thuyết Vụ Nổ Lớn và thuyết vũ trụ tĩnh tại (được Hoyle cổ vũ). Dưới ảnh hưởng của định lý về kì dị không-thời gian trong tâm các hố đen của Roger Penrose, Hawking áp dụng ý tưởng tương tự cho toàn thể vũ trụ, và trong năm 1965 đã viết luận án tiến sĩ về chủ đề này. Bên cạnh đó, có những tiến triển tích cực khác: Hawking nhận học bổng nghiên cứu tại Cao đẳng Gonville và Caius (thuộc Đại học Cambridge), ông và Jane kết hôn ngày 14 tháng 7 năm 1965. Ông nhận bằng tiến sĩ tháng 3 năm 1966, và tiểu luận của ông, "Các kỳ dị và Hình học của Không-Thời gian" cùng với luận văn của Penrose nhận giải Adams (giải dành cho nghiên cứu toán học xuất sắc nhất hàng năm của Cambridge) năm đó.


Hợp tác với Penrose, Hawking mở rộng các quan niệm về định lý điểm kì dị mà ông khám phá trong luận án tiến sĩ. Điều này không chỉ bao gồm sự tồn tại của các kỳ dị mà còn là lý thuyết rằng vũ trụ tự nó có thể khởi đầu từ một kì dị. Tiểu luận chung của họ tham gia và về nhì trong cuộc thi của Quỹ Nghiên cứu Lực Hấp dẫn năm 1968. Năm 1970 họ công bố một phép chứng minh rằng nếu vũ trụ tuân theo lý thuyết tương đối tổng quát và phù hợp với bất kỳ mô hình nào về vũ trụ học vật lý phát triển bởi Alexander Friedmann, thì nó phải khởi đầu từ một kì dị.


Vào cuối thập niên 1960, năng lực thể chất của Hawkings lại suy giảm một lần nữa: ông bắt đầu phải dùng nạng và thường xuyên hủy các buổi giảng. Khi dần mất khả năng viết, ông phát triển các phương pháp thị giác để bù đắp, bao gồm nhìn các phương trình theo cách hiểu hình học. Nhà vật lý Werner Israel sau này so sánh những kỳ tích đó với việc Mozart sáng tác toàn bộ bản giao hưởng trong đầu. Mặt khác Hawking lại tỏ ra độc lập một cách mãnh liệt và không bằng lòng chấp nhận giúp đỡ hay chịu nhượng bộ vì sự tàn tật của mình. Hawking ưa thích được người khác xem "trước hết như một nhà khoa học, thứ đến như một nhà văn phổ biến khoa học, và, trong mọi cách mà nó đáng kể, một người bình thường với cùng những ham muốn, nghị lực, ước mơ và tham vọng như những người xung quanh."


Jane Hawking về sau ghi nhận rằng "vài người sẽ gọi đó là tính cương quyết, người khác gọi là ngoan cố. Tôi vẫn gọi nó bằng cả hai tên cùng lúc hoặc từng lúc." Cần rất nhiều sự thuyết phục mới làm cho ông chấp nhận ngồi xe lăn vào cuối những năm 1960, nhưng sau này ông trở nên nổi tiếng trong học xá vì việc phóng xe lăn nhanh bừa bãi. Đồng nghiệp thấy ông là một người dễ mến và dí dỏm, nhưng bệnh tật cũng như danh tiếng về trí tuệ và sự ngạo ngược của ông tạo khoảng cách giữa ông và vài người.. Năm 1969, để giữ ông lại ở Caius, người ta tạo ra một chương trình dành riêng cho ông mang tên 'Học bổng Nghiên cứu Ưu tú trong Khoa học".


Con gái của Hawking, Lucy chào đời năm 1970. Sau đó ít lâu Hawking khám phá ra thứ sau này được biết đến dưới tên "Định luật thứ hai của cơ học hố đen", khẳng định rằng chân trời sự kiện của hố đen không bao giờ có thể thu nhỏ hơn. Cùng với James M. Bardeen và Brandon Carter, ông đề xuất bốn định luật của cơ học lỗ đen, vạch ra một sự tương đồng với động lực học cổ điển. Dưới ảnh hưởng của Hawking, Jacob Bekenstein, một nghiên cứu sinh của John Wheeler, đi xa hơn—và cuối cùng tỏ ra chính xác—khi đơn thuần áp dụng các quan niệm động lực học sang cơ học lỗ đen. Những năm đầu thập niên 1970, công trình của Hawking với Carter, Werner Israel và David C. Robinson ủng hộ luận điểm của Wheeler về "hố đen không có tóc", rằng bất kể hố đen ban đầu tạo thành từ vật liệu nào, nó hoàn toàn có thể mô tả bằng ba tính chất khối lượng, điện tích và sự tự quay. Tiểu luận có tên "Những Hố đen" của ông thắng giải thưởng Quỹ Nghiên cứu Lực Hấp dẫn tháng 1 năm 1971. Cuốn sách đầu tiên của Hawking Cấu trúc Vĩ mô của Không-Thời gian viết với George Ellis xuất bản năm 1973.


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.


Hawking hiếm khi thảo luận về bệnh tật và các vấn đề thể chất, ngay cả lúc mới yêu với Jane. Sự tật nguyền của Hawking khiến cho các trách nhiệm gia đình rơi xuống đôi vai ngày càng chất nặng của vợ ông, dành cho ông thêm thời gian để suy nghĩ về vật lý. Khi Hawking nhận Học bổng Ưu tú Sherman Fairchild làm giáo sư thỉnh giảng tại Viện Công nghệ California (Caltech) năm 1974, Jane đề xuất rằng một nghiên cứu sinh hoặc sinh viên hậu tiến sĩ sống với họ và giúp chăm sóc ông. Hawking chấp nhận, và Bernard Carr du hành tới California cùng gia đình, người đầu tiên trong số nhiều sinh viên đảm trách vai trò này.


Gia đình đã có một năm nhìn chung là hạnh phúc và đầy hứng khởi ở Pasadena. Hawking làm việc với người bạn trong khoa Vật lý lý thuyết, Kip Thorne, và đánh cược với ông này về chuyện sao tối (sao chứa một hàm lượng lớn vật chất tối neutralino) Cygnus X-1 là một hố đen. Vụ cá cược là một kiểu "chính sách bảo hiểm" đáng ngạc nhiên chống lại đề xuất rằng hố đen không tồn tại. Hawking ghi nhận rằng ông đã thua cuộc năm 1990, trò cá cược khoa học vui vẻ đầu tiên trong số vài cuộc mà ông đánh cược với Thorne và những người khác. Hawking về sau vẫn duy trì các mối quan hệ chặt chẽ với Caltech, hầu như năm nào cũng thăm nơi này chừng một tháng.


Hawking trở về Cambridge tháng 10 năm 1975 với một căn nhà mới, một công việc mới-Phó Giáo sư (Reader, một vị trí đặc biệt ở các trường đại học Anh, cao hơn giảng viên cao cấp, nhưng chưa tới ghế giáo sư). Don Page, người bắt đầu thân thiết với Hawking ở Caltech, đến Anh để làm việc như một nghiên cứu sinh, trợ lý sống trong nhà ông. Với sự giúp đỡ của Page và một thư ký, các trách nhiệm của Jane nhẹ bớt và cô có thể quay lại với luận án của mình cũng như niềm yêu thích mới dành cho ca hát. Nửa sau thập niên 1970 là một thời kì công chúng có sự quan tâm ngày càng tăng tới hố đen và những nhà vật lý nghiên cứu đề tài này; do đó Hawking thường xuyên được báo chí và truyền hình mời phỏng vấn.


Giọng nói của Hawking ngày càng khó khăn hơn, và đến cuối những năm 1970 chỉ còn gia đình và những người bạn thân nhất hiểu được ông. Để giao tiếp với những người khác, ai đó hiểu rõ sẽ dịch lời ông cho người kia. Bị khích động từ một cuộc tranh luận với Đại học về việc ai sẽ trả tiền cho các bờ dốc thoải để ông có thể đi xe lăn tới chỗ làm, Hawking và vợ vận động cho việc cải thiện các lối đi vào hỗ trợ cho những người bị tật nguyền ở Cambridge, bao gồm việc nuôi các sinh viên tàn tật trong trường.


Dù vậy, nhìn chung Hawking có những cảm giác mâu thuẫn về vai trò của mình như một người bênh vực cho quyền của người tàn tật: trong khi muốn giúp đỡ người khác, ông tìm cách tách bản thân ra khỏi chuyện bệnh tật và các khó khăn của nó. Việc ông thiếu dấn thân vào cuộc đấu tranh khiến ông hứng chịu một số chỉ trích. Trong lúc ấy gia đình Hawking chào đón đứa con thứ ba, Timothy, vào tháng 4 năm 1979. Mùa thu đó Hawking được bổ nhiệm vào ghế Giáo sư Toán học Lucas, một vị trí danh tiếng hàng đầu ở Đại học Cambridge cũng như trên thế giới, từng là vị trí của Isaac Newton và Paul Dirac.


Buổi giảng nhậm chức Giáo sư của Hawking có tựa đề "Is the end in sight for Theoretical Physics" (tạm dịch, "Có một viễn cảnh kết cục cho Vật lý lý thuyết?") đã đề xuất Siêu hấp dẫn N=8 như lý thuyết hàng đầu nhằm giải quyết nhiều bài toán nổi bật mà các nhà vật lý đang nghiên cứu. Sự thăng chức của Hawking lại trùng hợp với một cơn đột biến suy sụp sức khỏe khiến Hawking phải chấp chận, dù rất miễn cưỡng, một vài dịch vụ điều dưỡng tại gia. Cùng lúc đó ông cũng thực hiện một sự chuyển hướng tiếp cận đối với vật lý, trở nên suy nghĩ theo trực giác và ước đoán hơn là nhấn mạnh vào các phép chứng minh toán học. Ông nói với Kip Thorne: "Tôi sẽ là đúng đắn hơn là chính xác". Năm 1981 ông đề xuất rằng thông tin của một hố đen bị mất không thể phục hồi khi một hố đen bốc hơi. Nghịch lý thông tin hố đen này vi phạm nguyên lý cơ bản của cơ học lượng tử, và dẫn tới nhiều năm tranh cãi, trong đó có cái gọi là "Chiến tranh Hố Đen" giữa ông với Leonard Susskind và Gerard 't Hooft.


Tháng 12 năm 1977, Jane gặp một tay chơi đàn organ tên là Jonathan Hellyer Jones khi hát tại một dàn nhạc nhà thờ. Hellyer Jones trở nên gần gũi với gia đình Hawking, và đến giữa những năm 1980, Jones và Jane nảy nở tình cảm lãng mạn với nhau. Theo Jane, chồng bà chấp nhận hoàn cảnh đó, khẳng định rằng "ông ấy sẽ không phản đối chừng nào tôi còn tiếp tục yêu ông ta." Jane và Hellyer Jones quyết định không phá vỡ gia đình và mối quan hệ của họ vẫn giữ trong sáng trong một thời gian dài.


Vũ trụ lạm phát—một lý thuyết đề xuất rằng theo sau Vụ Nổ Lớn vũ trụ ban đầu mở rộng cực kỳ nhanh chóng trước khi giảm tốc độ thành một sự giãn nở chậm hơn— được Alan Guth đề xuất và sau đó Andrei Linde phát triển. Từ sau một hội nghị ở Moskva tháng 10 năm 1981, Hawking và Gary Gibbons tổ chức một cuộc hội thảo Nuffield dài ba tuần trong mùa hè năm 1982 về Vũ trụ Nguyên thủy tại Đại học Cambridge, tập trung chủ yếu vào lý thuyết mới này. Hawking cũng bắt đầu một hướng nghiên cứu lý thuyết lượng tử mới tìm hiểu nguồn gốc vũ trụ. Năm 1981 tại một hội nghị ở Vatican ông giới thiệu một công trình đề xuất rằng vũ trụ có thể không có biên-không có điểm đầu hay điểm cuối.


Kế tiếp đó ông phát triển mối cộng tác với James Hartle, và vào năm 1983 họ xuất bản một mô hình, được gọi là trạng thái Hartle-Hawking. Mô hình này đề xuất rằng trước kỷ nguyên Planck, vũ trụ không có biên trong không-thời gian; trước Vụ Nổ Lớn, thời gian không tồn tại và khái niệm về một sự khởi đầu của vũ trụ do đó là vô nghĩa. Điểm kì dị ban đầu của các mô hình Vụ Nổ Lớn cổ điển được thay thế bằng một vùng tương tự như Bắc Cực. Người ta không thể đi về phía bắc của Bắc Cực, nhưng không có biên giới nào ở đó-đơn giản đó là điểm mà tất cả các đường kinh tuyến hướng về phía bắc gặp nhau và kết thúc. Ban đầu đề xuất không biên này tiên đoán một vũ trụ đóng với những ngụ ý về sự không tồn tại của Chúa Trời. Như Hawking từng giải thích, "Nếu vũ trụ không có biên mà tự bao bọc... thì Chúa sẽ không có bất kỳ tự do lựa chọn nào về việc vũ trụ bắt đầu ra sao."


Hawking cũng không loại trừ sự tồn tại của một Đấng Sáng Thế, đặt câu hỏi trong Lược sử Thời gian "Lý thuyết thống nhất có phải vì quá hấp dẫn mà phải tồn tại không??" Trong thời kỳ đầu, Hawking nói về Chúa theo nghĩa siêu hình. Trong Lược sử Thời gian, ông viết: "Nếu chúng ta tìm được câu trả lời, thì đó là sự thắng lợi cuối cùng của trí tuệ con người - chúng ta sẽ biết được ý của Chúa." Cũng trong cuốn sách này ông đề xuất rằng sự tồn tại của Chúa Trời là không cần thiết để giải thích nguồn gốc của vũ trụ. Những cuộc thảo luận về sau với Neil Turok dẫn ông tới nhận thức rằng nó cũng tương thích với một vũ trụ mở.


Những công trình về sau của Hawking trong lĩnh vực mũi tên thời gian dẫn tới một bài báo công bố năm 1985 lập luận rằng nếu đề xuất không biên là đúng, thì vào lúc vũ trụ ngừng dãn nở và cuối cùng suy sụp, thời gian sẽ chạy theo hướng ngược lại. Một công bố của Don Page và Raymond Laflamme khiến Hawking về sau từ bỏ quan niệm này. Những vinh dự tiếp tục đến với ông: năm 1981 ông nhận Huy chương Franklin, và năm 1982 nhận tước CBE (một tước bậc hiệp sĩ hạng thấp của Đế quốc Anh).


Tuy nhiên các danh hiệu không giúp thanh toán hóa đơn, nên dưới nhu cầu trang trải chi phí việc học hành của con cái và sinh hoạt gia đình, năm 1982 Hawking quyết định một cuốn sách phổ biến khoa học về vũ trụ mà đông đảo công chúng có thể tiếp cận được. Thay vì đem in tại một nhà xuất bản chuyên về học thuật, ông ký hợp đồng với Bantam Books, một nhà xuất bản cho thị trường đại chúng, và nhận một khoản tiền đặt cọc lớn cho tác phẩm. Bản thảo đầu tiên của cuốn sách có tựa đề A Brief History of Time (tức "Một lịch sử tóm tắt về thời gian")hoàn thành năm 1984.


Trong một chuyến đi thăm CERN ở Genève mùa hè năm 1985, Hawking mắc viêm phổi mà với thể trạng sẵn yếu ớt của ông nó có thể đe dọa tính mạng; ông yếu tới mức bác sĩ từng hỏi Jane có nên chấm dứt các thiết bị duy trì sự sống của ông. Bà từ chối và ông đã sống sót, nhưng phải trải qua một ca phẫu thuật mở khí quản đòi hỏi chăm sóc điều dưỡng suốt ngày đêm và loại bỏ năng lực phát âm ít ỏi còn lại của ông. Cơ quan Chăm sóc Sức khỏe Anh (NHS) nhận trả phí ở viện điều dưỡng nhưng Jane cương quyết muốn ông sống ở nhà. Chi phí chăm sóc được một quỹ ở Hoa Kỳ chu cấp. Các y tá được thuê suốt ba ca để chăm sóc ông hai mươi bốn tiếng đồng hồ mỗi ngày. Một trong số những người được mướn là Elaine Mason, người về sau trở thành vợ thứ hai của ông.


Để giao tiếp, ban đầu Hawking rướn lông mày để chọn những chữ cái trên một thẻ đánh vần. Nhưng về sau ông nhận được một chương trình máy tính tên là "Equalizer" từ Walt Woltosz. Trong một phương pháp mà ông sử dụng tới tận ngày nay, sử dụng một công tắc ông chọn các cụm từ, từ, hoặc chữ cái từ một bộ nhớ chứa khoảng 2500-3000 lựa chọn được quét qua bởi máy. Chương trình ban đầu chạy trên một máy tính đề bàn. Nhưng chồng của Elaine Mason là David, một kỹ sư máy tính, đã lắp một máy tính nhỏ và gắn nó vào xe lăn của Hawking. Thoát khỏi nhu cầu cần ai đó diễn giải giọng mình, Hawking bình luận rằng "Giờ tôi đâm ra giao tiếp tốt hơn là trước khi tôi mất giọng nói."


Một trong những thông điệp đầu tiên Hawking đưa ra với thiết bị phát giọng nói của mình là yêu cầu trợ lý giúp ông hoàn thành việc viết "Lược sử Thời gian". Peter Guzzardi, biên tập ở Bantam, thúc đẩy ông phải giải thích các ý tưởng một cách rõ ràng trong ngôn ngữ không mang tính kỹ thuật, một quá trình đòi hỏi nhiều lần chỉnh sửa từ một Hawking ngày càng cáu kỉnh. Cuốn sách cuối cùng cũng ấn hành tháng 4 năm 1988 ở Hoa Kỳ và tháng 6 ở Anh quốc, và trở thành một thành công phi thường, nhanh chóng vươn lên đầu các danh sách bán chạy nhất ở cả hai quốc gia và duy trì vị trí không chỉ nhiều tuần mà nhiều năm liên tục.


"Lược sử Thời gian" được dịch sang nhiều thứ tiếng, và tới năm 2009 bán được ít nhất 9 triệu bản. Truyền thông hết sức chú ý đến hiện tượng kỉ lục này, và cả trang bìa tờ Newsweek cùng một chương trình truyền hình đặc biệt mô tả ông là "Master of the Universe" (tạm dịch, "Bậc thầy Vũ trụ"). Thành công dẫn đến những khoản tiền hậu hĩnh, nhưng cũng đem lại thách thức trong vai trò người nổi tiếng. Hawking đã du hành liên tục để quảng bá công trình của mình, và tham gia tiệc tùng và khiêu vũ tới tận đêm khuya.


Những lời mời và các vị khách khó từ chối khiến ông ít có thời gian dành cho công việc và các học trò. Vài đồng nghiệp phật ý vì sự chú ý dành cho Hawking, cảm giác rằng đó chủ yếu là do sự tàn tật của ông. Ông cũng nhận thêm nhiều ghi nhận về mặt học thuật, bao gồm thêm năm bằng tiến sĩ danh dự, Huy chương Vàng của Hội Thiên văn học Hoàng gia (1985), Huy chương Paul Dirac (1987) và, cùng với Penrose, Giải Wolf danh tiếng (1988). Năm 1989, ông được Nữ hoàng Elizabeth II phong tước CH (tước hiệu dân sự cao thứ hai mà một bình dân Anh có thể đạt được, thấp hơn Huân chương Công trạng-OM).


Cuộc hôn nhân giữa Jane và Stephen Hawking trải qua áp lực trong nhiều năm. Jane cảm thấy bị đè nặng bởi sự dòm ngó vào đời sống gia đình họ bởi những người y tá và trợ lý. Tác động của việc Hawking trở nên nổi danh cũng gây thách thức cho các đồng nghiệp và thành viên gia đình, và trong một lần phỏng vấn Jane đã mô tả vai trò của bà "đơn thuần là nói cho ông ấy biết ông ấy không phải Chúa Trời." Quan điểm bất khả tri về tôn giáo của Hawking cũng tương phản với đức tin Ki tô giáo mạnh mẽ của người vợ, và dẫn đến những căng thẳng giữa họ.


Vào cuối những năm 1980 Hawking trở nên ngày càng gần gũi với một trong số các y tá của ông, Elaine Mason, điều gây nên khó chịu cho một số đồng nghiệp, hộ lý và thành viên gia đình-những người thấy phiền toái bởi cá tính gây gổ và sự bao bọc của Elaine đối với Hawking. Cuối cùng Hawking nói với Jane rằng ông đang rời bỏ bà để tới với Elaine, và rời ngôi nhà vào tháng 2 năm 1990. Trong năm đó, Hawking nhận một cô gái Việt Nam sống ở Làng trẻ em SOS tên là Nguyễn Thị Thu Nhàn làm con nuôi, và họ từng sang Việt Nam năm 1997 để thăm Nhàn.


Hawking vẫn theo đuổi sự nghiệp vật lý: năm 1993 ông đồng biên tập một cuốn sách về hấp dẫn lượng tử Euclid với Gary Gibbons, và công bố một tuyển tập các bài viết của ông về hố đen và Vụ Nổ Lớn. Năm 1994 ở Viện Newton thuộc Cambridge, Hawking và Penrose trình bày một loạt sáu bài giảng, được in lại năm 1996 dưới tên "Bản chất của Không gian và Thời gian". Năm 1997 ông nhận thua một ván cược công khai năm 1991 với Kip Thorne và John Preskill ở Caltech. Hawking từng cá rằng đề xuất của Penrose về một "phỏng đoán kiểm duyệt vũ trụ"-rằng không thể nào có "kì dị trần truồng" không che bởi một chân trời-là đúng. Sau khi khám phá ra rằng sự nhận thua đó có phần vội vã, một ván cược mới, chặt chẽ hơn, được thực hiện, đặc tả rằng những kì dị như thế sẽ xảy ra mà không có các điều kiện phụ.


Cùng năm đó, Thorne, Hawking và Preskill tiến hành vụ cược khác, lần này liên quan tới nghịch lý thông tin hố đen. Thorne và Hawking lập luận rằng vì thuyết tương đối tổng quát khiến cho hố đen không thể nào bức xạ và mất thông tin, thế thì khối lượng-năng lượng và thông tin mang bởi Bức xạ Hawking phải "mới", và không phải từ bên trong chân trời sự kiện của hố đen. Vì điều này mâu thuẫn với cơ học lượng tử về tính nhân quả ở cấp độ vi mô, tự thân lý thuyết cơ học lượng tử cần phải được viết lại. Preskill lập luận theo hướng ngược lại, rằng cơ học lượng tử đề xuất rằng thông tin phát ra bởi một hố đen liên quan tới thông tin rơi vào nó ở một thời điểm trước đấy, quan niệm về hố đen cho bởi thuyết tương đối tổng quát phải được hiệu chỉnh theo một cách nào đó.


Hawking cũng duy trì bộ mặt công chúng của ông, bao gồm việc đem khoa học tới một lớp công chúng rộng rãi hơn. Năm 1992 phiên bản phim tài liệu "Lược sử Thời gian"-do Errol Morris đạo diễn và Steven Spielberg sản xuất-được trình chiếu. Hawking đã muốn bộ phim liên quan tới khoa học hơn là chân dung tiểu sử ông, nhưng người ta đã thuyết phục ông chấp nhận bộ phim phần lớn gồm những cuộc phỏng vấn liên quan tới ông. Phim nhận nhiều phê bình tích cực nhưng không được phát hành rộng rãi. Một tập hợp các tiểu luận dễ tiếp cận, các phỏng vấn và buổi nói chuyện của ông xuất bản năm 1993 dưới tên "Hố Đen và các Vũ trụ Sơ sinh và những Tiểu luận khác", trong khi một sê-ri chương trình truyền hình sáu phần "Vũ trụ của Stephen Hawking" và cuốn sách ăn theo xuất theo năm 1997. Như Hawking nhấn mạnh, lần này trọng tâm tuyệt đối dành cho khoa học.


Ông cũng xuất hiện vài lần trước truyền thông đại chúng. Trong bữa tiệc nhân dịp phát hành phim "Lược sử Thời gian", Leonard Nimoy, người đóng vai Spock trong Star Trek, biết được rằng Hawking hứng thú với việc xuất hiện trong chương trình. Nimoy đã tiến hành các liên lạc cần thiết và Hawking xuất hiện với tư cách bản thân trong sê-ri Star Trek: The Next Generation năm 1993. Cùng năm đó, giọng nói tổng hợp của ông được thu âm cho bài hát Keep Talking của ban nhạc Pink Floyd và xuất hiện năm 1999 trong sê-ri hài kịch tình huống The Simpsons.


Hawking tiếp tục việc viết sách phổ biến khoa học, ấn hành Vũ trụ trong vỏ hạt dẻ năm 2001, và A Briefer History of Time (tạm dịch, "Một Lược sử Tóm tắt của Thời gian"; ông viết cuốn này năm 2005 cùng với Leonard Mlodinow để cập nhật các kết quả nghiên cứu mới hơn và làm cho nó dễ hiểu hơn nữa), trong khi Chúa tạo nên Số nguyên xuất hiện năm 2006. Về mặt nghiên cứu lý thuyết, cùng với Thomas Hertog ở Cơ quan Năng lượng Nguyên tử châu Âu (CERN) và Jim Hartle, từ 2006 trở đi Hawking phát triển một vũ trụ học "trên-xuống", phát biểu rằng vũ trụ không phải có một trạng thái ban đầu duy nhất mà là nhiều trạng thái, và do đó là không thích hợp để hình thành một lý thuyết tiên đoán hình dạng hiện tại của vũ trụ từ một trạng thái ban đầu đặc biệt nào. Nền vũ trụ học này thừa nhận rằng hiện tại "lựa chọn" quá khứ từ sự chồng chập của nhiều lịch sử khả hữu. Khi khẳng định như vậy, lý thuyết đã đề xuất một giải pháp khả dĩ cho câu hỏi về một vũ trụ điều chỉnh chặt chẽ.


Cũng năm 2006 Hawking và Elaine lặng lẽ ly dị, và từ đó Hawking nối lại quan hệ gần gũi hơn với Jane, cũng như các con và cháu của mình. Một phiên bản hiệu chỉnh của cuốn sách trước đây của Jane, nay mang tên mới "Hành trình tới Vô hạn, Cuộc đời tôi với Stephen", xuất hiện năm 2007, phản ánh giai đoạn hạnh phúc hơn này. Năm đó Hawking và con gái Lucy xuất bản Chìa khóa Vũ trụ của George, một cuốn sách thiếu nhi thiết kế để trình bày vật lý lý thuyết theo cách dễ hiểu và mô tả các nhân vật tương tự các thành viên gia đình Hawking. Cuốn sách đã ra những tập tiếp theo vào các năm 2009 và 2011.


Hawking tiếp tục xuất hiện thường xuyên trên màn ảnh: các bộ phim tài liệu có tên The Real Stephen Hawking: (2001) và "Stephen Hawking: Profile" (2002), một phim truyền hình Hawking về giai đoạn bắt đầu căn bệnh của Hawking (2004), cùng một sê-ri phim tài liệu Stephen Hawking, Master of the Universe (2008). Hawking còn xuất hiện cả trong thể loại hoạt hình như trong The Simpsons, và Futurama trong đó giọng ông tham gia lồng tiếng, và với vai chính mình trong The Big Bang Theory. Hawking cũng tiếp tục du hành khắp nơi, bao gồm các chuyến đi tới Chile, Đảo Phục Sinh, Nam Phi, rồi Tây Ban Nha (để nhận Giải Fonseca năm 2008), Canada và nhiều chuyến đi tới Hoa Kỳ. Vì các lý do thực tế liên quan tới sự tàn tật của ông Hawking ngày càng thường xuyên di chuyển bằng máy bay phản lực cá nhân, từ 2011 đã trở thành phương tiện đi lại quốc tế duy nhất của ông.


Qua năm tháng, Hawking vẫn duy trì bộ mặt công chúng với một loạt tuyên bố gây chú ý và thường gây tranh cãi: ông từng khẳng định rằng virus máy tính là một dạng sự sống, rằng con người nên sử dụng kĩ thuật di truyền để tránh khỏi bị vượt mặt bởi máy tính, và rằng người ngoài hành tinh có lẽ tồn tại và cần tránh giao tiếp với họ vì họ có thể sẽ chinh phạt con người. Hawking bộc lộ mối lo ngại rằng sự sống trên Trái Đất bị đe dọa do "một cuộc chiến tranh hạt nhân đột ngột, một virus được lập trình gien hay các mối hiểm họa mà chúng ta còn chưa nghĩ tới". Ông xem các chuyến bay không gian và việc lập thuộc địa ngoài vũ trụ là cần thiết cho tương lai nhân loại. Mong muốn tăng cường mối quan tâm của công chúng tới các chuyến bay ra ngoài không gian và thể hiện tiềm năng của những người tàn tật, năm 2007 ông tham gia vào chuyến bay không trọng lượng trên phi thuyền mô phỏng "Vomit Comet", do tập đoàn Zero Gravity tài trợ, trong đó ông trải nghiệm trạng thái không trọng lượng tám lần.


Là một người từ lâu ủng hộ Đảng Lao động, Hawking cũng đưa ra quan điểm của mình về nhiều đề tài chính trị. Ông bày tỏ sự ủng hộ với ứng cử viên Dân chủ Al Gore trong cuộc bầu cử Tổng thống Hoa Kỳ năm 2000, gọi Cuộc tấn công Iraq 2003 là một "tội ác chiến tranh", tẩy chay một hội thảo ở Israel do lo ngại về chính sách của Israel đối với người Palestine, duy trì chiến dịch lâu dài của ông vận động giải trừ vũ khí hạt nhân, và ủng hộ nghiên cứu tế bào gốc, hệ thống y tế toàn cầu, và hành động ngăn chặn biến đổi khí hậu. Hawking cũng dùng danh tiếng của mình để quảng bá cho một số sản phẩm và thương hiệu, bao gồm một chiếc xe lăn, National Savings, British Telecom, Specsavers, Egg Banking, và Go Compare.


Trong địa hạt vật lý, tới năm 2003, ngày càng có sự thống nhất rằng Hawking đã sai lầm về sự mất mát thông tin của một hố đen. Trong một bài thuyết trình năm 2004 ở Dublin, nhà vật lý đã nhận thua cuộc cá cược năm 1997 với Preskill, nhưng đồng thời mô tả giải pháp có phần mâu thuẫn của mình đối với bài toán nghịch lý thông tin, đề cập tới khả năng các hố đen có nhiều hơn một tô pô. Trong bài báo năm 2005 về chủ đề này, ông lập luận rằng nghịch lý thông tin được giải thích bằng cách kiểm tra tất cả những lịch sử tương đương của vũ trụ, với mất mát thông tin trong những vũ trụ có hố đen sẽ được triệt tiêu bởi những vũ trụ không có.


Trong một phần của một tranh luận khoa học kéo dài khác, Hawking đã khẳng định dứt khoát, và đánh cược, rằng sẽ không bao giờ tìm thấy được Boson Higgs. Hạt này, được Peter Higgs đề xuất năm 1964 trong lý thuyết Peter Higgs, trở nên có khả năng phát hiện với sự ra đời của siêu máy gia tốc Tevatron thuộc Fermilab gần Chicago và LEP (va đập electron-positron) cùng LHC (va đập hadron) tại CERN. Hawking và Higgs tham gia vào một cuộc tranh cãi nảy lửa công khai về vấn đề này năm 2002 và tiếp tục năm 2008, trong đó Higgs chỉ trích công trình của Hawking và phàn nàn rằng "vị thế nổi tiếng của Hawking đem lại cho ông ta sự tin cậy mà người khác không có." Hạt Higgs cuối cùng được tập thể nghiên cứu hùng hậu tại CERN phát hiện tháng 7 năm 2012 (và xác nhận chính thức tháng 3 năm 2013): Hawking nhanh chóng thừa nhận thua cuộc và nói rằng Higgs nên nhận được Giải Nobel Vật lý.


Sự suy yếu do bệnh tật vẫn tiếp tục, và năm 2005 ông bắt đầu phải điều khiển thiết bị giao tiếp bằng cử động của cơ má do không thể sử dụng tay nữa, với tốc độ chỉ một từ mỗi phút. Điều này đặt Hawking trước nguy cơ bại liệt hoàn toàn (tiếng Anh: locked-in syndrome-LIS, tình trạng vẫn tỉnh táo nhưng không thể cử động bất cứ bộ phận nào ngoài mắt), vì vậy ông đang hợp tác với các nhà nghiên cứu về các hệ thống có thể diễn dịch các hình ảnh não bộ hoặc biểu diễn nét mặt thành phương thức kích hoạt công tắc. Đến năm 2009 ông không còn có thể tự lái xe lăn nữa. Ông ngày càng thở khó khăn hơn, đôi khi cần đến máy thở, và đã phải nhập viện vài lần. Năm 2002, trong một cuộc bầu chọn trên toàn vương quốc Anh và Bắc Ailen, BBC đưa ông vào danh sách 100 người Anh vĩ đại nhất trong lịch sử. Hawking cũng nhận Huy chương Copley từ Hội Hoàng gia (2006), vinh dự dân sự cao nhất của Hoa Kỳ-Huân chương Tự do Tổng thống (2009), và Giải thưởng Vật lý Cơ bản Nga (2012).


Hawking từng khẳng định rằng mình "không tín ngưỡng theo nghĩa thông thường" và rằng ông tin "vũ trụ được vận hành bằng các định luật khoa học. Các định luật đó có thể được Chúa Trời ban bố, nhưng Chúa không can thiệp để phá vỡ chúng." Trong một bài phỏng vấn trên tờ The Guardian, Hawking xem quan niệm về Thiên đường là một huyền thoại, tin rằng "không có thiên đường hay thế giới bên kia" và rằng một khái niệm như thế là "một truyện cổ tích dành cho những người sợ bóng tối." Năm 2011, khi dẫn tập đầu tiên của sê-ri truyền hình Curiosity trên Discovery Channel, Hawking tuyên bố rằng "Không có Chúa. Không ai tạo nên vũ trụ và không ai định vận mệnh chúng ta. Điều này dẫn tôi tới một nhận thức sâu sắc rằng chắc hẳn cũng không có cả thiên đường lẫn thế giới bên kia."


Tại Hội nghị Zeitgeist do Google tổ chức năm 2011, Hawking nói rằng "triết học đã chết". Ông tin rằng các triết gia "không bắt kịp với những tiến bộ khoa học hiện đại" và rằng các nhà khoa học "đã trở thành người mang ngọn đuốc khám phá trong cuộc truy tầm tri thức của chúng ta." Ông nói rằng các vấn đề triết học có thể được khoa học trả lời, đặc biệt là những lý thuyết khoa học mới "dẫn chúng ta tới một bức tranh mới và hết sức khác biệt về vũ trụ và vị trí của chúng ta trong nó". Tháng 8 năm 2012 Hawking dẫn chương trình đoạn Khai sáng trong Lễ khai mạc tại Thế vận hội Paralympic 2012.


Những người con của Hawking gồm có Lucy, Robert và Tim đã nói rằng "Chúng tôi đau buồn sâu sắc vì người cha yêu dấu của mình đã qua đời. Ông là một nhà khoa học và là một người đàn ông tuyệt vời, người mà những cống hiến và di sản của mình sẽ sống mãi nhiều năm nữa. Sự dũng cảm, can trường cộng với trí tuệ, khiếu hài hước của ông đã truyền cảm hứng cho mọi người trên khắp thế giới. Đã có lần ông từng nói, ‘Vũ trụ sẽ chẳng có nhiều ý nghĩa nếu như đó không phải là mái nhà chở che cho những người bạn yêu thương’. Chúng con sẽ nhớ mãi hình ảnh của cha"


Trong những năm đầu tiên của cuộc hôn nhân, Jane đã sống ở London trong tuần khi cô hoàn thành bằng cử nhân, và họ đã đi du lịch đến Hoa Kỳ nhiều lần để dự các hội nghị và liên quan đến vật lý. Cặp đôi này gặp khó khăn khi tìm nhà ở trong khoảng cách đi bộ của Hawking tới Bộ môn Toán học Ứng dụng và Vật lý Lý thuyết (DAMTP). Jane bắt đầu học tiến sĩ, và một đứa con trai tên Robert, ra đời năm 1967 Con gái, Lucy, ra đời năm 1970. Đứa con thứ ba, Timothy, được sinh ra vào tháng 4 năm 1979.


Hawking hiếm khi thảo luận về bệnh tật và những thách thức về cơ thể của mình, thậm chí - trong một tiền lệ được đặt ra trong thời gian tán tỉnh Jane. Sự tàn tật của ông có nghĩa là trách nhiệm của gia đình đặt trên toàn bộ đôi vai người vợ ngày càng cảm thấy quá tải của ông, giúp cho ông có nhiều thời gian hơn để suy nghĩ về vật lý. Sau khi được bổ nhiệm vào năm 1974 để đảm nhiệm vị trí một năm tại Viện Công nghệ California ở Pasadena, California, Jane đề nghị rằng một sinh viên sau đại học hoặc sau tiến sĩ đến sống với họ và giúp đỡ chăm sóc Hawking. Hawking đã chấp nhận, và Bernard Carr đã cùng họ đi du lịch với tư cách là sinh viên đầu tiên trong số nhiều sinh viên hoàn thành vai trò này. Hai người đã trải qua một năm hạnh phúc và hấp dẫn ở Pasadena.


Dự án này, nói chung, bắt đầu từ ngày 15 tháng 1 năm 2001 để bổ sung bách khoa toàn thư Nupedia bởi những nhà chuyên môn; hiện nay Wikipedia trực thuộc Quỹ Hỗ trợ Wikimedia, một tổ chức phi lợi nhuận. Wikipedia hiện có hơn 15 triệu bài viết, với hơn 3,3 triệu bài trong phiên bản tiếng Anh (English Wikipedia); vào tháng 1 năm 2006, nó có hơn 750.000 thành viên. Từ khi nó được mở cửa, Wikipedia càng ngày càng nổi tiếng và sự thành công của nó đã nảy sinh ra vài dự án liên quan. Tuy nhiên, có nhiều tranh luận về sự tin cậy của nó. Mặc dù vậy, một công bố vào ngày 9/8/2014 của viện thăm dò YouGov sau khi khảo sát 2.000 người tại Anh cho thấy 64% số người được hỏi tin vào độ xác thực của thông tin trên Wikipedia, cao hơn tỉ lệ 61% tin vào BBC, và vào những tờ báo uy tín khác như Times (45%), The Guardian (45%), The Sun (13%).


Wikipedia thường được làm nguồn bởi phương tiện truyền thông đại chúng nhiều khi để chỉ trích và nhiều khi để khen vì những đặc tính tự do, mở, dễ sửa đổi và phạm vi rộng rãi. Nhiều khi dự án không chỉ được nói đến, nhưng cũng được làm nguồn về chủ đề khác. Wikipedia khuyến khích những người đóng góp theo quy định "Thái độ trung lập", bằng cách tóm tắt các quan điểm quan trọng để tới gần sự thật khách quan. Việc dùng Wikipedia như nguồn tham khảo đã gây ra tranh luận vì tính mở của nó làm nó có thể bị phá hoại, bị sửa không đúng, hoặc không bao gồm các chủ đề đều đặn, hoặc có ý kiến không có căn cứ. Nó cũng bị chê là có thiên vị nhất quán, đặt cao ý kiến số đông hơn là bằng cấp, sự thiếu trách nhiệm cũng như kiến thức chuyên môn của người viết khi được so sánh với những bách khoa toàn thư thông thường. Tuy nhiên, sự rộng rãi và cặn kẽ của nó, và tính năng được cập nhật liên tục, đã làm dự án trở thành nguồn tham khảo hữu ích đối với hàng triệu người.


Khẩu hiệu của Wikipedia là "Bách khoa toàn thư tự do để tất cả mọi người sửa đổi", và người thành lập dự án Jimmy Wales diễn tả mục đích của nó là "để tạo ra bách khoa toàn thư miễn phí có phẩm chất càng cao càng tốt và đưa nó cho tất cả mọi người trên thế giới bằng ngôn ngữ họ dùng". Nó được viết trên website wikipedia.org dùng một loại phần mềm gọi là "wiki", thuật ngữ dùng để gọi WikiWikiWeb trước tiên và bắt nguồn từ tiếng Hawaii Wiki Wiki, tức là "nhanh lẹ". Ông Wales có mục đích là dẫn Wikipedia tới phẩm chất "của Britannica hoặc cao hơn" và được xuất bản trên giấy.


Vài dự án bách khoa toàn thư đã và đang hoạt động. Vài dự án có quy định cộng tác và sở hữu bài viết theo kiểu truyền thống, ví dụ như Bách khoa toàn thư Triết học Stanford bởi những nhà chuyên môn hoặc dự án Nupedia đã đóng cửa. Những website thoải mái hơn như là h2g2 và Everything2 làm việc dạy chỉ tổng quát, những bài viết ở đấy được viết và quản lý bởi người riêng. Những dự án như là Wikipedia, Susning.nu và Enciclopedia Libre là wiki, trong đó các bài viết được phát triển bởi nhiều tác giả, và không có quá trình kiểm duyệt bài viết chính thức. Trong những bách khoa toàn thư wiki đó, Wikipedia được trở thành bách khoa lớn nhất tính theo số bài viết và số chữ. Khác với nhiều bách khoa toàn thư, nó cho phép sử dụng nội dung dưới Giấy phép Văn bản Tự do GNU.


Đầu tiên thì Wikipedia chỉ là dự án nhỏ bên cạnh Nupedia, dự án để viết bách khoa với một số nhà chuyên môn theo quá trình chính thức. Nupedia mở cửa ngày 9 tháng 3 năm 2000 dưới sở hữu của Tập đoàn Bomis, một công ty cổng Web. Những người chính của dự án là Jimmy Wales, giám đốc của Bomis, và Larry Sanger, chủ bút của Nupedia và Wikipedia sau đó. Ông Sanger nói rằng Nupedia khác với những bách khoa toàn thư đã có vì nó sử dụng nội dung mở; nó không có hạn chế về cỡ vì nó hiện diện trên Internet; và nó không thiên vị vì nó công khai và có thể có nhiều loại người đóng góp. Nupedia có quá trình 7 bước để nhà chuyên môn kiểm tra các bài thuộc chuyên môn của họ, nhưng quá trình này bị xem là quá chậm cho một số bài ít ỏi. Dùng tiền của Bomis, có lúc họ đặt kế hoạch để lấy lại vốn đầu tư bằng quảng cáo. Nó được sử dụng dưới Giấy phép Nội dung mở Nupedia trước tiên, nhưng đổi qua Giấy phép Văn bản Tự do GNU trước khi Wikipedia được thành lập, theo yêu cầu của Richard Stallman.


Trên danh sách gửi thư của Nupedia, ngày 10 tháng 1 năm 2001, ông Sanger đề nghị tạo ra wiki bên cạnh Nupedia. Dưới đề tài "Hãy làm một wiki" (Let's make a wiki), ông viết rằng: "Không, đây không phải là một đề nghị không đứng đắn. Đó là một ý tưởng để thêm một tính năng ít Nupedia. Jimmy Wales nghĩ rằng nhiều người có thể tìm thấy những ý kiến phản đối, nhưng tôi nghĩ rằng không (...) Khi sử dụng Nupedia của wiki, đây là "sự mở” RẤT LỚN và định dạng đơn giản cho việc phát triển nội dung Chúng ta có đôi khi bandied về ý tưởng cho đơn giản, các dự án khác để mở hoặc thay thế hoặc bổ sung Nupedia.. Có vẻ như với tôi, wiki có thể được thực hiện thực tế ngay lập tức, cần được bảo dưỡng rất ít, và nói chung là rất thấp, it rủi ro. Chúng tôi cũng là một nguồn tiềm năng lớn cho nội dung Vì vậy, có ít nhược điểm, như tôi có thể nhìn thấy.."


Wikipedia mở cửa chính thức ngày 15 tháng 1 năm 2001, chỉ là một phiên bản tiếng Anh tại wikipedia.com, và ông Sanger giới thiệu nó lần đầu tiên trên danh sách gửi thư. Trước đó, từ ngày 10 tháng 1, nó chỉ là một tính năng của Nupedia, trong đó ai nào có thể viết bài để được thêm vào bách khoa toàn thư sau khi được xem lại. Nó được bắt đầu lại bên ngoài Nupedia, sau khi các nhà chuyên môn của Ủy ban Tư vấn Nupedia phản đối kiểu phát triển của nó. Sau đó, Wikipedia hoạt động như dự án riêng không có Nupedia bảo quản. Quy định "quan điểm trung lập" của nó được viết xuống vào những tháng đầu tiên, tuy nó sát với quy định "nonbias" (phi thiên vị) của Nupedia. Ngoài đó, chỉ có một vài nguyên tắc đầu tiên. Wikipedia được nhiều người đóng góp đến từ Nupedia, những tin nhắn tại Slashdot, và kết quả tìm kiếm. Nó tăng lên tới 20.000 bài viết bằng 18 ngôn ngữ vào cuối năm đầu. Nupedia và Wikipedia hoạt động bên cạnh nhau đến khi máy chủ Nupedia bị ngừng hoạt động thường trực vào năm 2003, và cả nội dung Nupedia được đưa vào Wikipedia.


Hai ông Wales và Sanger cho rằng WikiWikiWeb của Ward Cunningham hoặc Kho Mẫu Portland đã đưa ra quan niệm sử dụng wiki. Ông Wales nói rằng ông nghe về quan niệm này lần đầu tiên từ Jeremy Rosenfield, một người làm cho Bomis và đã dẫn ông Wales đến wiki đó vào tháng 12 năm 2000, nhưng Wikipedia mới bắt đầu sau khi ông Sanger nghe về wiki đó từ Ben Kovitz, người quen ở đấy, vào tháng 1 năm 2001 và đề nghị tạo ra wiki cho Nupedia. Dưới quan niệm liên quan đến nội dung tự do, nhưng không dựa trên wiki, dự án GNUPedia hoạt động bên cạnh Nupedia vào đầu lịch sử của nó. Sau đó nó ngừng hoạt động và người thành lập nó, người nổi tiếng về phần mềm tự do Richard Stallman, ủng hộ Wikipedia.


Vì sợ có thể mang quảng cáo đến dự án và thiếu quyền hạn bảo quản ở trung tâm phiên bản tiếng Anh, nhiều người dùng Wikipedia tiếng Tây Ban Nha (Wikipedia en español) chia ra khỏi Wikipedia để thành lập Enciclopedia Libre vào tháng 2 năm 2002. Sau đó cùng năm, ông Wales loan báo là Wikipedia sẽ không bao gồm quảng cáo trong tương lai, và website được chuyển sang địa chỉ wikipedia.org. Từ đó, nhiều dự án đã chia ra khỏi Wikipedia vì quy định viết bài, ví dụ như Wikinfo, họ bỏ "quan điểm trung lập" để thay với nhiều bài viết phụ nhau viết theo "quan điểm thông cảm".


Từ Wikipedia và Nupedia, Quỹ Hỗ trợ Wikipedia được thành lập ngày 20 tháng 6 năm 2003. Từ đó đến nay, Wikipedia và các dự án liên quan trực thuộc tổ chức bất vụ lợi đó. Dự án liên quan đầu tiên của Wikipedia, "Kỷ niệm: Wiki 11 tháng 9", được thành lập vào tháng 10 năm 2002 để kể chuyện về những Tấn công khủng bố ngày 11 tháng 9; dự án từ điển Wiktionary mở cửa vào tháng 12 năm 2002; bộ sưu tập danh ngôn Wikiquote, một tuần sau khi Wikimedia được thành lập; và thư viện mở Wikibooks, tháng sau. Sau đó Wikimedia vẫn tiếp tục bắt đầu thêm dự án khác.


Wikipedia thường đo sự phát triển của dự án theo số bài viết. Trong hai năm đầu tiên, nó tăng lên khoảng chừng vài trăm bài mới mỗi ngày. Wikipedia tiếng Anh đạt tới bài viết thứ 100.000 ngày 22 tháng 1 năm 2003. Năm 2004, tốc độ tăng lên số bài vào khoảng 1.000 hay 3.000 mỗi ngày cho tất cả các phiên bản ngôn ngữ. Wikipedia tiếng Anh đạt tới bài thứ 500.000 ngày 25 tháng 2 năm 2004. Wikipedia đạt đến bài viết thứ một triệu trong tất cả 105 phiên bản ngôn ngữ vào ngày 20 tháng 9 năm 2004, trong khi phiên bản tiếng Anh nói riêng đạt đến bài viết thứ 500.000 ngày 18 tháng 3 năm 2005 và bài thứ một triệu ngày 1 tháng 3 năm 2006.


Wikipedia dựa trên MediaWiki, nền phần mềm wiki chuyên biệt có nguồn tự do và mở, phần lớn được viết trong PHP và được xây trên cơ sở dữ liệu MySQL. Phần mềm này bao gồm những tính năng lập trình như là ngôn ngữ macro, biến số, hệ thống gắn tiêu bản (template transclusion), và đổi hướng URL. MediaWiki được phát hành theo Giấy phép Công cộng GNU (GPL) và được sử dụng bởi các dự án Wikimedia, cũng như nhiều dự án wiki khác. Ban đầu Wikipedia chạy trên UseModWiki, một chương trình Perl của Clifford Adams (Phase I). Nó bắt phải viết hoa theo kiểu CamelCase để tạo ra siêu liên kết giữa các bài; cú pháp hai dấu ngoặc vuông được hỗ trợ về sau. Bắt đầu từ tháng 1 năm 2002 (Phase II), Wikipedia bắt đầu sử dụng chương trình PHP wiki với cơ sở dữ liệu MySQL; phần mềm này được viết đặc biệt cho Wikipedia bởi Magnus Manske. Phần mềm Phase II được sửa nhiều lần để thỏa mãn nhu cầu đang lên theo đường lũy thừa (exponential growth). Tháng 7 năm 2002 (Phase III), Wikipedia đổi qua phần mềm thế hệ thứ ba, MediaWiki, mới đầu do Lee Daniel Crocker viết.


Wikipedia chạy trên các nhóm máy chủ Linux tại Florida và hai vị trí khác. Wikipedia chỉ xài một máy chủ cho đến năm 2004; lúc đó hệ thống máy chủ được mở rộng thành cấu trúc đa tầng (multitier architecture) phân phối. Vào tháng 1 năm 2005, dự án chạy trên 39 máy chủ dành riêng ở Florida. Hình dạng này bao gồm một máy cơ sở dữ liệu chủ chạy MySQL, vài máy phụ CSDL, 21 máy chủ web chạy Apache HTTP Server, và bảy máy bộ nhớ Squid. Vào tháng 9 năm 2005, nhóm máy chủ này đã bao gồm 100 máy tại ba vị trí chung quanh thế giới.


Các yêu cầu trang được gửi cho tầng máy Squid trước. Những yêu cầu mà bộ nhớ Squid không thể thỏa mãn được gửi qua các máy chủ cân bằng tải (load-balancing server) có phần mềm Linux Virtual Server; nó gửi yêu cầu cho một trong những máy chủ Apache để kết xuất trang dùng dữ liệu từ CSDL. Các máy chủ web gửi lại những trang được yêu cầu và kết xuất trang của các phiên bản ngôn ngữ Wikipedia. Để tăng lên tốc độ trả lời nhiều hơn, các trang được kết xuất cho người chưa đăng nhập được bỏ vào bộ nhớ phân phối (distributed memory cache) cho đến khi nó lỗi thời, nên có thể bỏ qua hẳn quá trình kết xuất trang đối với phần nhiều lần truy cập những trang thường gặp. Hai nhóm máy chủ lớn hơn tại Hà Lan và Hàn Quốc hiện xử lý nhiều nhu cầu cho Wikipedia.