18 yaşında Cambridge, Emmanuel Koleji'nde matematik üzerine yoğunlaştı; çünkü bu alanda kendisini eksik görüyordu. Zayıf olduğu alanda bile, okulunu en iyi dereceyle bitirdi. 1930'lu yılların sonunda bilimsel araştırmalarına başladı. Çok geçmeden de, dünya çapında bir bilim adamı unvanına kavuştu.

O dönemde, yıldızların güç kaynaklarının keşfedilmesi, bilim dünyasında büyük ilgi uyandırmıştı. Nükleer füzyon diye adlandırılan ve hidrojen çekirdeğinin yıldızın içindeki sıcaklıkla erimesiyle açığa çıkan yüksek miktardaki enerji, güç kaynağını oluşturuyordu. Hoyle ve kendi gibi genç meslektaşı Raymond Lyttleton bu teoriyi kullanarak şu sonuca vardılar: "Bir yıldızın parlaklığı, kütlesi biliniyorsa kolayca hesaplanabilir" Bu, birbirini izleyecek birçok keşfin de habercisiydi.

1944'teki iki şans buluşması, 29 yaşındaki Hoyle'ı en önemli çalışmasına yöneltti. California yolculuğu sırasında, Alman astronom Walter Baade ona, süpernova adı verilen, yıldızlarda meydana gelen inanılmaz şiddetli patlamalardan söz etti. Birkaç gün sonra da Cambridge’den eski arkadaşlarının araştırmalarını izlemek üzere Kanada'ya gitti. Arkadaşları bir atom silahı üzerinde çalışıyorlardı. Denemelerden birinde, nükleer patlamanın etkisiyle çok yüksek değerlerde enerji açığa çıktı. Baade'yle diyalogunu hatırlayan Hoyle'ın kafasında bir soru işareti oluşmuştu. Acaba, benzer bir patlama, süpernovayla açığa çıkan muazzam enerjiyi açıklayabilir miydi?

Hoyle, Cambridge'e geri döndüğünde topladığı bilgilerin ayrıntılarını araştırmaya koyuldu. İşlemler sırasında, süpernova içindeki sıcaklığın milyarca dereceye ulaşabildiğini ortaya çıkardı. Bu çok önemli bir adımdı; çünkü yıldızları kimyasal elementlerin eridiği kızgın bir fırına dönüştürüyordu.