Dans la théorie classique, les trous noirs ne peuvent qu'absorber des particules, et non en émettre. On montre cependant que des effets quantiques amènent les trous noirs à créer et émettre des particules comme s'ils étaient des corps chauds de température $\hbar\kappa/2\pi k \approx 10^{-6} (M_\odot/M)$ K, où $\kappa$ est la gravité de surface du trou noir. Cette émission thermique conduit à une lente diminution de la masse du trou noir, puis à sa disparition : tout trou noir primordial de masse inférieure à environ $10^{15}$ g se serait déjà évaporé aujourd'hui. Bien que ces effets quantiques violent la loi classique selon laquelle l'aire de l'horizon des événements d'un trou noir ne peut décroître, une Seconde Loi Généralisée subsiste : $S + \frac{1}{4}A$ ne décroît jamais, où $S$ est l'entropie de la matière hors des trous noirs et $A$ la somme des aires des horizons des événements. Ceci montre que l'effondrement gravitationnel convertit en entropie les baryons et leptons du corps qui s'effondre. Il est tentant de spéculer que ce pourrait être la raison pour laquelle l'Univers contient tant d'entropie par baryon.
Faute de théorie quantique de la gravitation satisfaisante, Hawking adopte une approximation semi-classique : les champs de matière (scalaire, électromagnétique, neutrinos) sont traités quantiquement sur une métrique d'espace-temps classique obéissant aux équations d'Einstein. Il montre que cette approximation reste bonne tant que le rayon de courbure demeure grand devant la longueur de Planck ($10^{-33}$ cm), soit partout sauf au voisinage des singularités et durant les premières $10^{-43}$ s de l'univers. En espace-temps courbe, la séparation des fréquences positives et négatives d'un champ n'a pas de sens invariant : un champ initialement dans le vide peut ne plus l'être après passage dans une région courbe, ce qui s'interprète comme une création de particules par le champ gravitationnel.
Appliqué aux trous noirs, ce mécanisme prédit une émission de particules vers l'infini au taux exact qu'aurait un corps ordinaire de température $\kappa/2\pi$ (en unités géométriques), soit environ $10^{-6} (M_\odot/M)$ K. Pour un trou noir de masse solaire cette température est très inférieure aux 3 K du fond diffus cosmologique : de tels trous noirs absorbent plus qu'ils n'émettent et croissent. En revanche, des trous noirs primordiaux bien plus petits, formés par des fluctuations de densité de l'univers primitif, seraient plus chauds : en rayonnant ils perdent de la masse, deviennent plus chauds encore et rayonnent plus vite. Vers $10^{12}$ K (masse d'environ $10^{14}$ g), l'émission de toutes les espèces de particules pourrait dissiper la masse restante en un temps d'interaction forte ($\sim 10^{-23}$ s), produisant une explosion d'environ $10^{35}$ ergs. La durée de vie est sinon de l'ordre de $10^{-28} M^3$ s.
Hawking propose une image heuristique du mécanisme : des paires virtuelles de particules près de l'horizon, dont le membre d'énergie négative franchit l'horizon par effet tunnel (où il peut exister comme particule réelle) tandis que le membre d'énergie positive s'échappe à l'infini, constituant l'émission thermique. Ce flux d'énergie négative diminue l'aire de l'horizon, en violation de la loi classique de croissance de l'aire. La prédiction confirme la Seconde Loi Généralisée proposée par Bekenstein (l'entropie plus un multiple de l'aire ne décroît jamais), en fixant la température à $\kappa/2\pi$ et l'entropie du trou noir à $\frac{1}{4}A$ ; sans émission, cette loi serait violée par un trou noir plongé dans un rayonnement plus froid que lui.
Le calcul est mené pour un trou noir sans rotation ni charge (solution de Schwarzschild). Comme les solutions d'équilibre sont stationnaires, aucune création de particules n'y serait attendue : il est essentiel de considérer la phase d'effondrement, dépendante du temps. En suivant les modes d'un champ scalaire sans masse depuis l'infini nul passé jusqu'à l'infini nul futur à travers le corps en effondrement, Hawking calcule le mélange des fréquences positives et négatives (coefficients de Bogoliubov) et montre que le nombre de particules émises vers l'infini dans chaque mode de fréquence $\omega$ est celui d'un corps de température $\kappa/2\pi$ : $\Gamma_\omega/(e^{2\pi\omega/\kappa} - 1)$, où $\Gamma_\omega$ est la fraction du mode qui serait absorbée par le trou noir. Conformément à l'esprit des théorèmes de calvitie (no hair), le taux d'émission ne dépend des détails de l'effondrement qu'à travers la masse, le moment angulaire et la charge du trou noir final.
Pour un trou noir en rotation et/ou chargé (solution de Kerr-Newman), la première loi classique des trous noirs implique que les modes bosoniques de fréquence $\omega < m\Omega + e\Phi$ (où $\Omega$ et $\Phi$ sont la fréquence angulaire et le potentiel électrostatique du trou noir) sont diffusés avec une amplitude accrue : c'est la « superradiance » classique, qui correspond à une émission stimulée. Hawking montre qu'il s'y ajoute une émission spontanée : le facteur thermique devient $\{e^{2\pi(\omega - m\Omega - e\Phi)/\kappa} \mp 1\}^{-1}$ (signe selon le spin), de sorte que le trou noir émet préférentiellement dans les modes qui emportent son moment angulaire et sa charge. Pour les champs de spin demi-entier il n'y a pas de superradiance classique, mais l'émission spontanée subsiste.
La création de particules est un processus global, non localisé dans le corps en effondrement : un observateur franchissant l'horizon ne verrait pas un nombre infini de particules en sortir. La diminution de masse du trou noir s'interprète comme un flux d'énergie négative à travers l'horizon, lié à l'indétermination quantique de la densité d'énergie locale (ou à l'indétermination de la position même de l'horizon). Tant que la masse reste grande devant la masse de Planck ($10^{-5}$ g), l'évolution est lente et le trou noir peut être décrit par une suite de solutions stationnaires. En deçà, l'approximation s'effondre, mais l'énergie restante étant infime, le trou noir ne peut guère que disparaître complètement. Les baryons et leptons du corps initial ne peuvent réapparaître, leur énergie de masse ayant été emportée par le rayonnement thermique : Hawking spécule que l'évaporation de petits trous noirs primordiaux pourrait expliquer pourquoi l'univers contient si peu de baryons comparé aux photons.