Wenn Sterne am Ende ihrer Lebenszeit sterben und sich zu Neutronensternen verdichten, diese aber eine kritische Masse von 2,2 bis 2,9 Sonnenmassen (TOV-Grenze, entspricht einer einer vorherigen Sternmasse von ca. 25 Sonnenmassen) übersteigen, so können die inneren Kräfte (Fermi-Druck begründend auf Pauli-Prinzip) den äußeren Kräften, der Gravitation, nicht standhalten, und es kommt zu einem Gravitationskollaps, bei dem sich die Masse des Sterns unendlich verdichtet. So entsteht ein extrem starkes Gravitationsfeld, aus dem nicht einmal Licht entfliehen kann.

Das so entstandene Gravitationsfeld besitzt einen Ereignishorizont, einen gewissen Abstand, an dem die Fluchtgeschwindigkeit vom schwarzen Loch Lichtgeschwindigkeit erreicht. Dahinter gelten die Gesetze der klassischen Physik nicht mehr, es muss Einsteins Relativitätstheorie herangezogen werden. Da ab diesem Punkt keine Information (Licht und Materie) mehr aus dem Bann des schwarzen Lochs entweichen kann, ist es ein gegenüber uns vollkommen abgeschlossenes System. Würde ein Beobachter den Ereignishorizont überqueren, so würde ein Außenstehender bemerken, wie er sich verlangsamen und schließlich stecken bleiben würde, da ab diesem Punkt kein Licht mehr entkommen kann. Möglicherweise würde der Beobachter aber gar nichts davon mitbekommen, da durch die extreme Drehgeschwindigkeit des schwarzen Lochs die extreme Anziehungskraft ausgeglichen werden könnte.

Eine Form von Strahlung gibt ein schwarzes Loch jedoch ab, die Hawking-Strahlung. Sie entsteht, stark vereinfacht gesagt, wenn „virtuelle“ Teilchenpaare, die vom Ereignishorizont getrennt werden, dem schwarzen Loch Energie entziehen. So „verdampfen“ schwarze Löcher. Da dieser Prozess aber nur sehr langsam vonstatten geht, würden schwarze Löcher hunderte Milliarden Jahre brauchen um zu verdampfen. Im Moment ist aber der Gegenteil der Fall, da sie durch die kosmische Hintergrundstrahlung „gefüttert“ werden. Experimentell wurde die Hawking-Strahlung noch nicht nachgewiesen, ergibt sich aber aus einem theoretisch logischen Schluss.

Es gibt auch um vieles schwerere schwarze Löcher, die eine millionen- bis milliardenfache Sonnenmasse besitzen und in der Frühzeit des Kosmos entstanden sind. Sie bilden meist das Zentrum einer Galaxie. Andere massereiche schwarze Löcher entstehen z.B. durch Doppelsterne die zu einem schwarzen zusammenfallen oder zwei kollidierenden schwarzen Löchern, die miteinander verschmelzen.

Es gibt verschieden Möglichkeiten schwarze Löcher nachzuweisen, die aber alle nicht auf der unmittelbaren Beobachtung, sondern auf den Auswirkungen von schwarzen Löchern auf ihre Umgebung beruhen.

Aufgrund von Planeten- und Sternenbewegungen, die auf ein großes Gravitationsfeld in ihrer Nähe hindeuten, werden auf schwarze Löcher geschlossen.

Da schwarze Löcher elektromagnetische Strahlungen beeinflussen, lässt sich dadurch ein mögliches schwarzes Loch ausmachen.

Beschleunigte oder kollidierende schwarze Löcher können messbare Gravitationswellen hervorrufen.

Wenn schwarze Löcher Materie „schlucken“, entstehen elektromagnetische Wellen im Radio-Bereich, können also mit Radioteleskopen gemessen werden. 2019 wurde so zum ersten Mal ein „Bild“ von der Umgebung eines schwarzen Lochs gemacht.

Sagittarius A*, nach heutigem Stand der Nachforschungen ein supermassives schwarzes Loch im Zentrum der Milchstraße.