A fekete lyuk a téridő olyan tartománya, ahonnan az erős gravitáció miatt semmi, még a fény sem tud távozni. Klasszikus szemléltetése szerint olyan objektum, amelynél a felszínre vonatkoztatott szökési sebesség eléri vagy meghaladja a fénysebesség értékét. Azonban a fekete lyukban az eseményhorizont mögött nincs valódi objektum: a fekete lyuknak nincs belső szerkezete, kifelé pedig csak a tömege, töltése és forgási sebessége nyilvánul meg.

Fekete lyuk keletkezik akkor, ha egy véges tömeg a gravitációs összeomlásnak nevezett folyamat során egy kritikus értéknél kisebb térfogatba tömörül össze. Ekkor az anyag összehúzódását okozó gravitációs erő minden más anyagi erőnél nagyobb lesz, s az anyag egyetlen pontba húzódik össze. Ebben a pontban egyes kutatók szerint bizonyos fizikai mennyiségek sűrűség, téridő görbület végtelenné válnak. A szingularitást körülvevő térrészben a gravitáció olyan erős, hogy onnan sem anyag, sem fény nem szabadulhat ki. E térrész határfelülete az eseményhorizont, sugara az úgynevezett Schwarzschild-sugár. Az eseményhorizonton belülre kerülő anyag vagy sugárzás belezuhan a szingularitásba. A fekete lyukak létezése mind elméletileg, mind csillagászati megfigyelésekkel jól alátámasztott. A lyuk elnevezés alatt nem a szokásos értelemben vett lyukat kell érteni, inkább a világűr egy részét, ami mindent elnyel, és ahonnan semmi nem tud visszatérni. Másképpen, a fekete lyuk olyan égitest, mely nagy tömege ellenére elég kicsi, hogy elférjen az általa létrehozott eseményhorizonton belül. Ebben az esetben ugyanis az égitest minden pontja az eseményhorizonton belül van, tehát az eseményhorizonton kívülről nem látható. Nagyobb fekete lyuk sűrűsége kisebb lehet, mint a vízé vagy a levegőé. Mivel a beléje zuhanó anyag gyakorlatilag elveszíti szerkezetét, a fekete lyuknak mindössze három, független tulajdonsága lehet: tömeg, forgási sebesség és elméletileg előre jelzett, a természetben elő nem forduló elektromos töltés.

Tömege: Egyes, kísérletileg még nem bizonyított elméletek szerint bizonyos magfizikai folyamatok során mikroszkopikus fekete lyukak keletkezhetnek. Nagy tömegű csillagok egyik lehetséges végállapotaként, szupernóva-robbanás után a csillagmaradvány tömegétől függően fekete lyuk vagy neutroncsillag keletkezhet. A fekete lyuk keletkezéséhez elég nagy tömegű csillag szükséges, hogy még a belőle keletkezett neutroncsillag is összeroppanjon. Ez a tömeg jelenlegi ismereteink szerint valahol 1,7-2,7 naptömeg között van, a legkisebb ismert tömegű fekete lyuk 3,8 naptömegű. Ha viszont a csillag tömege túl nagy 20-40 naptömeg feletti, akkor még a szupernóva-robbanás előtt a csillagszéllel annyi anyagot veszít, hogy a maradék tömege nem elég a fekete lyuk létrejöttéhez, így nagyon gyorsan forgó és nagyon erős mágneses térrel rendelkező neutroncsillagok, magnetárok jönnek létre. Több kisebb fekete lyuk ütközésével jöhetnek létre a sokáig keresett köztes tömegű fekete lyukak, ezek tömege néhány száz néhány ezer naptömeg. Egyelőre nagyon kevés ilyen fekete lyukat ismerünk, az NGC 4472 galaxis egyik gömbhalmazában valószínűleg a közepén van ilyen fekete lyuk.  Az NGC 5408 galaxisban lévő egyik ultrafényes röntgenforrás ULX, Ultra Luminous X-ray source tömegét egy új módszerrel megmérve 2000 naptömegnyinek adódott, így ez is ebbe a ritka csoportjába tartozik a fekete lyukaknak. Az ultrafényes röntgenforrásokat általában a kutatók a köztes tömegű fekete lyukakkal hozzák összefüggésbe. Egyes galaxisok középpontja a miénk is tartalmaz nagyon nagy tömegű több millió naptömegű fekete lyukat.

Forgása: A megfigyelhető fekete lyukakba az akkréciós korongon keresztül folyamatosan anyag áramlik ennek sugárzása árulja el számunkra a fekete lyuk létét. Az izzó gáz egyre közelebb kerül az égitesthez, majd belezuhan. A zuhanás előtti, legbelső stabil körpálya ISCO, Innermost Stable Circular Orbit, melyen az anyag keringhet, összefüggésben van a lyukak forgási sebességével, mert a fekete lyuk forgása közben magával ránt mindent. A legbelső stabil körpálya sugarának méréséből következtethetünk a fekete lyukak forgási sebességére, minél gyorsabban forog a lyuk, annál kisebb ez a sugár. A lyukkal forgó téridő mintegy magával rántja a befelé áramló anyagot, emiatt az gyorsabban keringve a fekete lyukhoz sokkal közelebb juthat anélkül, hogy belezuhanna. A legbelső stabil körpálya sugarát a benne áramló anyag hőmérsékletének erre az általa kibocsátott röntgensugárzás színképének elemzésével következtetnek, vagy a benne lévő anyag egyes jellegzetes színképvonalai eltolódásának mérésével végzik, melyet a gravitációs vörös eltolódást okoz.  

Stephen Hawking kimutatta 1974-ben, hogy a fekete lyuk környezetében a lyuk tömegének rovására részecskék keletkezhetnek (az energia átalakul anyaggá), ezáltal a lyuk tömege csökkenhet. Ez az anyagkeletkezés annál intenzívebb, minél kisebb a lyuk tömege. A tudósról Hawking-sugárzásnak elnevezett jelenség révén, ahogy a lyuk egyre kisebbé válik, úgy lesz az anyagkibocsátás egyre erősebb, míg végül a lyuk robbanásszerű hevességgel eltűnik. A fekete lyukba belekerülő anyag és sugárzás viszont a lyuk tömegét növeli. Ez ellensúlyozza az anyagkibocsátást, egészen addig, amíg a világegyetem hőmérséklete (2,7 kelvines kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás) a fekete lyuk felszíni hőmérséklete felett van (minél nagyobb tömegű a fekete lyuk, annál alacsonyabb, de – a viszonylag kis méreteket leszámítva – jóval 2,7 kelvin alatt, közel 0-hoz). Ez esetben viszonylag kis méret alatt azt kell érteni, hogy jelenleg holdunk tömegének megfelelő Schwarzschild-sugárral rendelkező fekete lyuk (azaz Holdunk tömegével megegyező tömegű fekete lyuk) van termikus egyensúlyban, ez az a méret, ahol ugyanannyi sugárzást bocsát ki a fekete lyuk, mint amennyit a háttérsugárzásból elnyelni képes felszíni hőmérséklete éppen 2,7 kelvin. Ennél kisebb tömeg esetén a fekete lyuk tömege amennyiben csillagközi gáz, por, csillagfény vagy egyéb pluszban nem táplálja, a párolgás miatt csökkenni fog. Nagyobb tömeg esetén pedig akkor is tovább fog nőni, ha csak a háttérsugárzás táplálja a tömeg úgymond csak egy kicsivel nagyobb a kérdéses határnál. Akkor a tömegnövekedés ideje is kicsi lesz, mivel a háttérsugárzás hőmérséklete gyorsabban csökken, mint ahogy a csupán háttérsugárzás által táplált lyuk felszíni hőmérséklete csökkenni tud a tömegnövekedés hatására. A világegyetem tágulása miatt a világegyetem hőmérséklete folyamatosan csökken, nullához konvergál, ami pedig azt jelenti, hogy egy idő után bármely fekete lyuk felszíni hőmérsékleténél alacsonyabb lesz, azaz egy idő után minden fekete lyuk tömege csökkenni kezd, végül teljesen elpárolog.

Gravitációs örvénylés: a korai röntgentávcsövekkel dolgozó csillagászok felfedezték, hogy a galaxisunkban lévő, csillagtömegű fekete lyukaktól származó röntgensugárzás pislákol. Ez azt jelenti, hogy az erőssége gyors ütemben változik. A jelenséget akkor kvázi-periodikus oszcilláció névvel illették Quasi Periodic Oscillation, QPO. A vibrálásban észlelhető volt egy minta: kezdetben 10 másodpercben volt mérhető a periódusidő, majd ahogy napok s hetek teltek el, a vibrálás felgyorsult másodpercenként tízre. Majd a vibrálás hirtelen teljesen abbamaradt. Az 1990-es évek során a csillagászok elkezdték feltételezni, hogy a kvázi-periodikus oszcilláció kapcsolatban lehet egy gravitációs hatással, amit Einstein általános relativitáselmélete megjósolt: egy forgó objektum gravitációs örvénylést hoz létre. A jelenséget első leíróikról Lense-Thirring-hatásnak nevezik (Josef Lense és Hans Thirring után). A fekete lyuk körül keringésre kényszerített anyag a fekete lyukhoz közelebbi része gyorsabban kering a távolabbi anyaghoz viszonyítva, és nagy energiájú sugárzást bocsát ki, ami összeütközik a körülötte lévő anyaggal, ami a vas atomokat röntgensugárzás kibocsátására készteti egy bizonyos hullámhosszon, más néven spektrumvonalon. Mivel az akkréciós korong keringésében van, a vas spektrumvonalának hullámhossza a Doppler-hatásnak megfelelően változik. Ha a beljebb lévő anyagáramlás keringési síkja változik, akkor időnként a hozzánk közelítő anyag lesz fényesebb, máskor pedig az éppen távolodó. Vagyis a spektrumvonal ide-oda ingadozni fog a precessziós ciklusnak megfelelően. Ezt az ingadozást ki tudta mérni az Európai Űrügynökség XMM-Newton nevű röntgentávcsöve, és ezzel mérésekkel igazolta a gravitációs örvénylést egy fekete lyuk körül. A felfedezést a NASA Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) küldetése segítette. A mérésekhez a H 1743-322 jelölésű fekete lyukat választották, ami akkor négy másodperces kvázi-periodikus oszcillációt mutatott. Az XMM-Newtonnal 260 000 másodpercig, a NuSTAR-ral 70 000 másodpercig végeztek méréseket, majd a kapott adatokat kielemezték. Megállapították, hogy az ingadozás az általános relativitáselméletnek megfelelő mértékű. Ennek az a jelentősége, hogy eddig nem sikerült Einstein szóban forgó elméletét erős gravitációs tér közelében kísérletileg tesztelni, illetve igazolni.