研究领域主要是在相对论性天体物理学和引力物理学，其中比较着重于和黑洞方面的论题，特别是关于引力波的论题。最被公众所知与极具争议性的论述无疑应属他的关于虫洞或许能够用来做星际旅行或时间旅行的主张。
引力波和.索恩是全世界公认的引力波天文学权威。自从1960年代，他就在研究，从像黑洞互撞或中子星互撞这般的宇宙极端事件，怎样生成引力波。1975年，他与莱纳·魏斯尝试将魏斯设计制作的干涉臂为5英尺长的雏型引力波探测器加以改良。1981年，索恩在加州理工学院实验室里成功地制成了干涉臂为31英