Z obecné teorie relativity plyne, že velmi hmotná hvězda, která vyčerpá své nukleární palivo, se pod vlivem gravitace zhroutí sama do sebe. Vznikne tzv. černá díra, jejíž gravitační pole je tak silné, že světlo ani nic jiného z ní nemůže uniknout. Tento kolaps bude trvat tak dlouho, dokud nevznikne singulární stav s nekonečnou hustotou hmoty a nulovým objemem. V singularitě by fyzikální zákony ztratily svůj význam – nebyly by definovány.
Zajímavou vlastností černých děr je, že ve skutečnosti nejsou tak černé, jak předpokládá klasická teorie. V roce 1975 učinil anglický fyzik Stephen Hawking v této oblasti fyziky zásadní objev. Objevil možnost kvantového vyzařování černých děr. Černá díra vysílá záření tak, jako by to bylo horké těleso, což je umožněno tím, že silné gravitační pole v blízkosti černé díry způsobuje, že se tvoří páry částice–antičastice. Jedna z částic páru padne do černé díry, druhá unikne do vesmíru. Tu pak můžeme detekovat jako vyzařování černé díry.
Velmi hmotné černé díry vyzařují energie velmi málo. Jak černá díra vyzařuje částice, její hmotnost a rozměr postupně klesají. Tím je pro větší počet částic snadnější dostat se ven, a tak černá díra září stále víc a více, až se nakonec celá vyzáří. Po hodně dlouhé době se takto nakonec vyzáří každá černá díra ve vesmíru. Přestože je tento proces u velmi hmotných děr zpočátku mimořádně pomalý, závěrečná fáze vypařování černé díry probíhá prudce jako obrovská exploze.
Teplota černé díry je závislá na hmotnosti černé díry. Čím je černá díra hmotnější, tím je chladnější. Když se černá díra vyzařováním zmenšuje, narůstá její teplota. Přes tento paradox je chování černých děr v plném souladu s termodynamikou.
Slavný výrok Johna Wheelera „černá díra nemá vlasy“ vyjadřuje skutečnost, že všechny informace o tělesu, které podlehlo gravitačnímu kolapsu, se nenávratně ztrácejí. Výjimkou jsou pouze informace o hmotnosti a rotaci kolabujícího objektu, což jsou jediné vlastnosti, jimiž se černá díra navenek projevuje.