Az ő vezetésével fogalmazta meg a csillagoknukleoszintézisének elméletét a Burbidge, Burbidge , Fowler és Hoyle (BBFH vagy B2FH) csoport 1957-ben. A három alfa folyamatot az ő gondolata alapján ismerték fel. Hoyle kérésére William Alfred Fowler kísérletileg megvizsgálta a C-12 keletkezésének lehetőségét.
A 20. század egyik legnagyobb hatású kozmológusaként kiszámította, hogyan alakulnak ki a (bórnál) nehezebb elemek a csillagokban.
Filozófiai okokból elégedetlen volt az ősrobbanás koncepciójával, ezért 1948-ban két munkatársával részletesen is kidolgozta az állandó állapotú világegyetem modelljét, amit eredetileg Albert Einstein fogalmazott meg 1930-ban. Elméletét azonban nem sikerült bizonyítékokkal alátámasztania, még a módosított, ún. quasi-steady state, vagyis „majdnem stacionárius állapotú” világegyetem elméletét sem (amit Roger Taylerrel dolgozott ki. A Hubble űrtávcső megfigyeléseiből azonban egyre több bizonyíték
utal arra, hogy valóság a két elképzelés egyféle hibridje: a mi metagalaxisunk csak egyike azok sokaságának, és mindegyik egy-egy eredeti ősrobbanásban keletkezett, majd fekete lyukba zsugorodik. A Hubble űrtávcsővel végzett megfigyelések azt mutatják, hogy minden galaxis közepén van egy hatalmas fekete lyuk és ezek teremtik maguk körül a saját galaxisukat.
Pontos számításokkal 1966-ban kimutatta, hogyan használhatták fel Stonehenge építői az építmény külső körén ásott, úgynevezett Aubrey-gödröket a holdfogyatkozások előrejelzésére.
1939-ben feleségül vette Barbara Clarkot. Két gyermeke született, egy fiú és egy lány. Fia, Geoffrey Hoyle irodalmár lett; ebbéli minőségében atyja két regényének is szerzőtársa.
From Stonehenge to Modern Cosmology, 1973. Magyarul: Stonehenge-től a modern kozmológiáig. Magvető kiadó, Gyorsuló idő sorozat 1978, 166 old. ISBN9632707567
Művei magyar nyelven
A fekete felhő; ford. Kuczka Péter; Gondolat, Bp., 1969
Fred Hoyle–Geoffrey Hoyleː Űrhajók a Göncölszekérben. Tudományos fantasztikus regény; ford. Kuczka Péter; Gondolat, Bp., 1971
Stonehenge-től a modern kozmológiáig; ford. Kada Júlia; Magvető, Bp., 1978 (Gyorsuló idő)
Fred Hoyle–John Elliotː Androméda. Tudományos fantasztikus regény; ford. Gálvölgyi Judit; Kozmosz Könyvek Bp., 1981 (Kozmosz fantasztikus könyvek)
Fred Hoyle–Geoffrey Hoyleː Az űr legmélyén. Regény; ford. Békési József; Phoenix, Debrecen, 1993 (Science fiction & fantasy)
Megjegyzések
↑Az idézett folyóirat idézi az observatoire de Paris-ban dolgozó Françoise Combes francia asztrofizikus szavait: „...on sait ainsi, grâce aux très nombreuses observations de Hubble, qu’il y a un trou noire supermassif au centre de toutes galaxies«” vagyis „Tudjuk így, a Hubble igen nagyszámú megfigyeléseiből, hogy minden egyes galaxis közepén van egy szupermasszív fekete lyuk”
↑Az idézett folyóirat Notre univers parmi tant d’autre, vagyis „Világegyetemünk annyi más között” című alcikkében megemlíti két olasz asztrofizikus munkáját. akik a spekulatív húrelmélet alapján még az 1990-es években arra a következtetésre jutottak, hogy egy ősrobbanás eredete egy fekete lyuk, amikor az abban uralkodó gravitáció ellenkező irányba fordul; 2007-ben pedig egy német születésű amerikai kutató, Martin Bojowald jött ugyanerre a következtetésre egy újabb elmélet, a hurok-kvantumgravitáció elmélete alapján. A két következtetés, kimondatlanul is, megegyezik Hoyle elképzelésével