Năm 1972, Bekenstein là người đầu tiên đề xuất rằng hố đen có entropy xác định. Ông viết rằng entropy của một hố đen tỉ lệ thuận với diện tích chân trời sự kiện của nó. Bekenstein cũng phát biểu dạng tổng quát của định luật thứ hai của nhiệt động lực học cho hệ có lỗ đen. Cả hai đề xuất này càng được khẳng định khi Stephen Hawking (cũng như Zeldovich và một số người khác) đề xuất sự tồn tại của bức xạ Hawking hai năm sau đó. Hawking ban đầu không công nhận ý tưởng của Bekenstein do hố đen không thể phát ra năng lượng nên không thể có entropy.[2][12] Tuy nhiên, năm 1974, Hawking thực hiện những tính toán phức tạp và cuối cùng công nhận là các hạt có thể được phát ra từ lỗ đen, ngày nay gọi là bức xạ Hawking. Người hướng dẫn luận văn tiến sĩ của Bekenstein, John Archibald Wheeler, cũng làm việc cùng ông để phát triển định lý không tóc, xuất phát từ câu nói của Wheeler rằng "lỗ đen không có tóc" trong đầu thập niên 1970.[13] Ý tưởng của Bekenstein sau này được chứng minh là không ổn định, nhưng nó đã có tác động lớn đến sự phát triển của cả ngành.[14][15]

Dựa trên những kết quả về nhiệt động lực học lỗ đen, Bekenstein cũng chỉ ra giới hạn Bekenstein: có một lượng thông tin tối đa có thể chứa được trong một vùng không gian hữu hạn với một lượng hữu hạn năng lượng (tương tư với nguyên lý toàn ảnh).[16]

Năm 1982, Bekenstein phát triển một cơ sở lý thuyết chặt chẽ để tổng quát các định luật của lực điện từ trong trường hợp các hằng số vật lý thay đổi. Lý thuyết của ông thay hằng số cấu trúc tinh tế bằng một trường vô hướng. Tuy nhiên, lý thuyết này không tính tới lực hấp dẫn.[17]