In 1962, tijdens zijn laatste dagen in Oxford, merkte Hawking dat hij steeds onhandiger werd, onduidelijker was en dat hij zomaar omviel en tegen dingen aan liep. Tijdens de kerst van 1962 merkten zijn ouders iets vreemds aan hem en Hawking lag begin 1963 twee weken in het ziekenhuis. De diagnose was amyotrofe laterale sclerose (ALS). Dit is een ongeneeslijke ziekte die de zenuwcellen aantast totdat het lichaam helemaal is verlamd. Het denkvermogen wordt niet aangetast door de ziekte.

Er werd gedacht dat hij door de ziekte zijn doctoraat niet zou halen, maar tegen alle verwachtingen in haalde hij het toch. Hij en zijn vrouw moesten verhuizen naar een flat omdat hij met zijn rolstoel, waar hij al snel in terecht kwam, geen trappen meer op kon.

Tot 1979 kon Jane Hawking hem alleen verzorgen, maar daarna werd het noodzakelijk om een verpleegster in te huren.

Toen hij in 1985 op een congres in Genève een longontsteking opliep veranderde er een hoop. Hij moest met machines in leven worden gehouden en door de noodzakelijk geworden operatie waarbij zijn stembanden werden doorgesneden raakte hij zijn stem kwijt. De artsen raadden zijn vrouw aan de life support uit te schakelen omdat ze hem geen kans meer op overleven gaven, maar dat wilde Jane niet. Na de operatie was het voor beiden erg moeilijk. De enige manier waarop Hawking kon communiceren was dat Jane letters aanwees en als ze bij de goede letter was, dat Hawking zijn wenkbrauwen bewoog. Een normaal gesprek voeren of boeken schrijven was er niet meer bij.

Toen Walt Woltosz hoorde wat er met Hawking was gebeurd, stuurde hij hem een computerprogramma waarmee hij woorden kon selecteren door middel van het bewegen van zijn ogen. Ook stuurde hij een spraakcomputer waardoor Hawking weer een stem had, zij het een met een Amerikaans accent. Het boek A Brief History of Time, Nederlands: 'Het heelal', is geschreven met behulp van deze middelen. Later werden de computer en het spraaksysteem in zijn rolstoel ingebouwd, zodat hij geen laptop meer mee hoefde te dragen. Dit systeem had een aantal voordelen. Zo kon hij veel tekst van tevoren maken en later, tijdens een conferentie, laten afspelen of meteen afdrukken.

Sinds 2004 heeft Hawking 24 uur per dag verzorging nodig en wordt hij professioneel verpleegd. Toch bleef hij nog steeds actief in de natuurkunde. Ultimo 2008 heeft hij zich, naar verluidt, meer definitief van zijn beroepsactiviteiten teruggetrokken. In april 2009 werd Hawking opgenomen in het ziekenhuis met een infectie in zijn borststreek.

Stephen Hawking denkt dat zijn ziekte mogelijk eraan is te wijten dat hij voedingsstoffen niet goed opneemt. Daarom voegt hij vitaminen- en mineralentabletten, zink, levertraan, foliumzuur, vitamine B, vitamine B12, vitamine C en vitamine E aan zijn dieet toe. Verder vermijdt hij gluten, plantaardige olie en kant-en-klaar-voedsel. Bovendien ondergaat hij passieve fysiotherapie op de borstkas en passieve en actieve fysiotherapie op alle ledematen en spiergroepen.