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最后，当这恒星收缩到某一临界半径（史瓦西半径）时，其质量导致时空扭曲变得如此之强，使得光向内偏折得也如此之强，以至于光也逃逸不出去。这样，如果光都逃逸不出来，其他东西更不可能逃逸，都会被拉回去。也就是说，存在一个事件的集合或时空区域，光或任何东西都不可能从该区域逃逸而到达远处的观察者，这就是黑洞。其边界称作事件视界，它和刚好不能从黑洞逃逸的光线的轨迹相重合。
与别的天体相比，黑洞十分特殊。人们无法直接观察到它，科学家也只能对它内部结构提出各种猜想。而使得黑洞把自己隐藏起来的的原因即是弯曲的时空。根据广义相对论，时空会在引力场作用下弯曲。这时候，光虽然仍然沿任意两点间的最短光程传播，但在其他观测者看来它已弯曲。在经过大密度的天体时，时空会弯曲，光也就偏离了原来的方向。
地球上，由于引力场作用很小，时空的扭曲是微乎其微的。而在黑洞周围，时空的这种变形非常大。即使是被黑洞挡着的恒星发出的光，虽然有一部分会落入黑洞中消失，可另一部分光线会通过弯曲的空间中绕过黑洞而到达地球。这样，地球的观测者看到的是被黑洞引力扭曲放大的恒星图像。黑洞的作用就像放大镜一样，因此也叫强引力透镜效应。
更有趣的是，有些恒星不仅是朝着地球发出的光能直接到达地球，它朝其它方向发射的光也可能被附近的黑洞的强引力折射而能到达地球。这样我们不仅能看见这颗恒星的“脸”，还同时看到它的“侧面”、甚至“后背”，这也是宇宙中的“引力透镜”效应。
如果是相互绕转的双黑洞或者并合中的双黑洞，则会发出引力波。引力波是时空的“涟漪”，会对经过的物体产生压缩或拉伸。2015年9月14日，美国的“高新”激光干涉仪引力波天文台（advanced Laser Interferravitational-wave Observatory，简称aLIGO）的两台引力波探测器首次探测到了来自于双黑洞合并的引力波信号。2015年12月26日，LIGO再次探测到了双黑洞并合的引力波信号，这是人类探测到的第二个引力波信号。
根据黑洞的无毛定理，一个稳定的黑洞可以仅用三个物理量来描述：质量M，角动量J，电荷量Q。这些参数值相同的两个黑洞，物理特性不应有任何的区别，也就是说，黑洞内部的质量分布、电荷分布，与它作为一个整体的外界表现毫不相干。这一理论上的推测对于现实中的黑洞是否为真，目前仍是一个悬而未决的问题。当物体落入黑洞时，它本身携带的形状和电荷分布等信息被抹去，转化为黑洞的平均性质。此时视界就像一个耗散系统，吞噬了这个物质的诸多物理信息（例如重子数、轻子数等守恒量子数），这与量子力学中信息不丢失的假设矛盾，故称“黑洞信息悖论”。一个带电黑洞就像其他带电物体一样排斥或吸引电荷，它的总质量可以通过测量远处的引力场得到，角动量也可以测量远处的参考系拖曳效应得到。
虽然黑洞的质量可以取任意正值，它的电荷量和角动量受质量的限制。
对于质量为M的黑洞，电荷量和角动量都有其上限。彭罗斯猜测，自然界有一个隐藏的法则，使得物体引力坍缩产生的起点只能存在于视界之内，不会产生裸奇点。
黑洞根据其质量分为超大质量黑洞（ ~ 倍太阳质量，半径约0.001~1000倍日地距离）、中等质量黑洞（ ~ 倍太阳质量，半径约1000千米）、恒星级黑洞（3~100倍太阳质量，半径约为30千米）、微型黑洞（小于月球质量，半径小于0.1毫米）。黑洞的大小一般定义为它的事件视界半径，对史瓦西黑洞（不带电不自转黑洞）等于其史瓦西半径，与质量成正比。
事件视界是黑洞最重要的特征之一，它是黑洞在时空上的分界面，光和物质只能从外侧进入视界内而无法逃出来。这一名称来源于，一旦事件发生在视界内部，事件的信息永远也无法被外部的观测者获取，所以无法判断事件有没有发生。
广义相对论预言，黑洞中心存在一个物理的引力奇点，那里的时空曲率趋于无穷。对于非旋转黑洞，这个区域是一个点的形状；对于旋转黑洞，它是在均匀分布在一个圆上的环奇点。在这两种情况，奇点区域的体积都为零。这表明奇点区域包含稳定黑洞的所有质量。因此，奇点区域的质量可以被认为具有无限的密度。
进入史瓦西黑洞（即不旋转且不带电荷的黑洞）的观测者一旦穿过事件视界，就无可避免地被带入奇点。他们可以将这一过程延长，借由加速离开延缓他们的下降，但不可阻止或逆转。当他们到达奇点时，他们被压至无限的密度，其质量被加至黑洞的总质量中。在此之前，他们将被不断增强的潮汐力拉长而撕裂，这通常称为面条化或面条效应。
无限红移面是指，对于远处非旋转系（Locally Nonrotatg Fras，简称LNRF）的观测者，该面上的光子永远也不能到达观测者处，或者说到达时的红移为无穷大。对于史瓦西黑洞，视界与无限红移面重合，只有对于有自旋黑洞两者才会分开。只有在该面以外，粒子才有可能在外力作用下保持静止。无限红移面与视界之间的区域成为能层。
对于牛顿的万有引力定律，粒子可以在任意的距离稳定地绕着中心天体作圆周运动。但在广义相对论下，存在一个最小的稳定圆形轨道（I Stable Circur Orbit，简称ISCO），任意小的内向扰动都会使轨道上的物体沿螺旋线坠入黑洞，任意外向扰动（根据扰动的能量大小）可能使物体旋入黑洞，在更远处做稳定绕转，或者逃逸到无穷远处。