Nel 1964 in collaborazione con Dieter Brill scoprì il geon Brill–Hartle, una soluzione approssimata (su un'ipotesi del Wheeler) di un fenomeno ipotetico, di come, un pacchetto di onde gravitazionali possa rimanere confinato in una regione compatta dello spazio-tempo grazie all'attrazione gravitazionale sviluppata dal suo campo d'energia.[2]
Nel 1983, presso l'Istituto Enrico Fermi dell'Università di Chicago, sviluppò, in collaborazione con Stephen Hawking, lo stato di Hartle-Hawking, nel quale una specifica soluzione all'Equazione Wheeler-DeWitt intende spiegare le condizioni iniziali del Big Bang.
Hartle fu autore del testo sulla relatività generale dal titolo : "Gravity : an Introduction to Einstein's General Relativity".[3]
