在中學時代的后兩年，班上來了一位數學教師。他的教學富于啟發，這激發了霍金對數學和物理學的興趣。盡管父親也鼓勵他學習科學，但希望他攻讀與父親的專業相近的生物學。回憶起中學的學習，霍金談道："在我幼年時，我對所有科學都一視同仁。十三、四歲后我知道自己要在物理學方面做研究，因為這是最基礎的科學，盡管我知道中學物理學太容易太淺顯，所以太枯燥。化學就好玩得多了，不斷發生許多意料之外的事，如爆炸等等。但是物理學和天文學有望解決我們從何處來和為何在這里的問題。我想探索宇宙的底蘊。"由此可見，少年的霍金的志向雖算不上遠大，"想探索宇宙的底蘊"對他后來的研究肯定是有影響的。

中學畢業，霍金考入牛津大學，并如父親的希望，取得了獎學金。學習物理學對霍金并不費力，后來他又考上劍橋大學理論物理專業的博士研究生。為什么要選取理論物理專業呢?霍金后來說："理論物理中有兩個領域是基本的，……一個是研究非常大尺度的，即宇宙學;另一個是研究非常小尺度的，既基本粒子。"這就是說，理論物理聯系著"至大"的宇宙和"至小"的基本粒子。最后，他確定要研究宇宙學，這是因為"在宇宙學方面已有一個定義完好的理論，即愛因斯坦的廣義相對論"。廣義相對論是研究宇宙學的理論基礎。