黑洞由中心的一个由黎曼曲率张量出发构建的标量多项式在趋向此处发散的奇点和周围的时空组成，其边界为只进不出的单向膜：事件视界，事件视界的范围之内不可见。大质量恒星的引力坍缩被认为是形成恒星质量黑洞的原因。依据爱因斯坦的广义相对论，当一颗垂死恒星崩溃，它会向中心塌缩，质量大于托尔曼-奥本海默-沃尔科夫极限（Tolman-Oppenheimer-Volkoff Equation，也叫TOV极限，估计在2.5-4倍太阳质量左右）则会无限地坍缩，直到最后形成体积接近无限小、密度几乎无限大的星体（几乎为奇点）。而当它的半径一旦收缩到小于史瓦西半径时，质量导致的时空扭曲就使得即使光也无法向外射出——“黑洞”就诞生了。
黑洞的产生过程类似于中子星的产生过程：一个恒星在面临毁灭时，一般要么是因为恒星内部的燃料不足，无法通过核合成来维持温度；要么是因为稳定的恒星接受了外来的物质，却未能提高其核心温度来维持平衡。总之，核心由于温度不足，在自身重力的作用下迅速地坍缩，发生强力爆炸，称为超新星爆发。这一过程使得恒星外层的大部分质量被抛射出去，只留下内层一个致密的核。恒星剩余质量的大小，决定了它最终的命运，即会成为哪一种致密星。
当剩余核心的质量小于TOV极限时，它将成为一颗中子星，支持星体的压力来自于中子间的强相互作用和简并压。当核心质量大于TOV极限时则会形成黑洞，这时它的质量大到使收缩过程无休止地进行下去，连中子间的排斥力也无法阻挡。中子本身在自身的引力挤压下被碾为粉末，剩下的是一个密度高到难以想象的物质。
从恒星演化的角度来看，通常恒星最初只含氢元素，恒星内部的氢原子核时刻相互碰撞，发生聚变。由于恒星质量很大，聚变产生的能量与恒星万有引力抗衡，以维持恒星结构的稳定。氢原子核的聚变产生新的元素——氦元素，接着，氦原子也参与聚变，生成锂元素。如此类推，按照元素周期表的顺序，会依次有铍元素、硼元素、碳元素、氮元素等生成，直至铁元素生成，该恒星便会坍塌。这时由于铁元素相当稳定，参与聚变时释放的能量小于所需能量，因而聚变停止，导致恒星内部不具有足够的能量与质量巨大的恒星的万有引力抗衡，从而引发恒星坍塌，最终形成黑洞。
根据恒星演化理论，能形成黑洞的恒星原始质量应该大于太阳质量25倍以上。这样的恒星在晚年会发生剧烈的超新星爆发，抛射出部分物质形成星云，剩下的遗留物质量大于TOV极限，可以形成黑洞。
然而，外部的观测者实际无法“看到”黑洞的形成，因为广义相对论的引力时间膨胀，只能看到坍缩的物质在视界上方逐渐变慢直到停止。来自坍塌物质的光抵达观测者的时间会拖得越来越久，在抵达视界的前一刻发出的光会无限期地延迟。因此，外部的观测者从未见到事件视界的形成；相对的是，坍塌的物质变得越来越暗，最终逐渐从视野中消失。
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