Enquanto servia na Rússia, apesar de sofrer de uma doença de pele rara e dolorosa chamado pênfigo, ele conseguiu escrever três trabalhos fundamentais: dois contendo as soluções exatas para as equações de campo de Einstein da Teoria Geral da Relatividade, a nova teoria do espaço-tempo e gravitação, e um sobre a teoria quântica de Planck. Como são bem conhecidos, os seus trabalhos sobre a Teoria Geral da Relatividade deram a primeira solução exata para as equações de campo de gravitação no espaço vazio em torno de massas esféricas de Einstein, solução que leva o seu nome, a Métrica de Schwarzschild, que na verdade, envolve uma ligeira modificação da solução original de Einstein. Além disso, Karl foi o primeiro cientista a introduzir o formalismo lagrangiano (Joseph Louis Lagrange, matemático italo-francês) correto do campo eletromagnético. Foi pioneiro no desenvolvimento da teoria de espectros atómicos proposto por Niels-Bohr. Independente de Arnold Sommerfeld (físico alemão que introduziu a constante da estrutura fina), Karl desenvolveu as regras gerais de quantização, definiu a teoria completa do efeito Stark (efeito de um campo elétrico da luz) e iniciou a teoria quântica de espectros moleculares.
Ao receber manuscritos de Karl de 22 de dezembro de 1915, Einstein ficou agradavelmente surpreso ao saber que suas equações de campo de gravitação chegaram a admitir soluções exatas, que apesar de sua complexidade, segundo ele, foram elegantemente demonstradas por Karl em ...”uma forma tão simples...”. Antes disso, o próprio Einstein era capaz apenas de produzir uma solução aproximada, dado o seu famoso trabalho em 1915 sobre o avanço do periélio do Mercúrio. Nesse artigo, Einstein utilizando um sistema de coordenadas retilíneas, afim de aproximar o campo gravitacional em torno de uma massa esfericamente simétrica, estática, não-rotativa e não-carregada (a solução para um objeto de simetria esférica rotativa foi encontrado em 1963 por Roy Patrick Kerr, matemático neozelandês). Karl, em contraste com a abordagem inicial de Einstein, escolheu uma generalização do sistema de coordenadas polares (hoje conhecida como coordenadas de Schwarzschild) e foi assim, capaz de produzir uma solução exata de uma forma mais elegante, de maneira um pouco mais condizente com o esplendor e a subtileza da total natureza não-euclideana da Teoria Geométrica de Einstein. Karl finalizou a carta dizendo "...como você vê, a guerra tratou-me gentilmente o suficiente, apesar da artilharia pesada, para permitir-me ficar longe de tudo e aproveitar esta caminhada na terra de suas ideias...".
“Li a sua carta com o máximo interesse. Não esperava que podia-se formular a solução exata do problema de maneira tão simples. Gostei muito do seu tratamento matemático sobre o assunto. Na próxima quinta-feira apresentarei o trabalho à Academia com algumas palavras de explicação”.
Talvez ainda mais conhecido do que o seu trabalho com as soluções para a Teoria Geral da Relatividade, sejam suas contribuições para o aprofundamento da compreensão sobre o fenómeno dos buracos negros. O que agora é referido como o raio de Schwarzschild descreve quando uma estrela entra em colapso gravitacional diminuindo a um determinado tamanho e o seu potencial de atração gravitacional se torna infinito, em que nem mesmo um objeto que viajasse à velocidade da luz conseguiria escapar da área denominada horizonte do eventos (raio de ação do buraco negro/raio de Schwarzschild). Outra teoria que tem o seu nome é a dos buracos de verme de Schwarzschild que, hipoteticamente, é um “atalho” no espaço-tempo onde existem duas buracos ligados por um tubo que, se transponível, poderia levar a matéria a outro lugar do espaço, viajando mais rápido que a velocidade da luz, fazendo uma viagem no tempo.
Pouco depois, Karl mandou os seus dois últimos trabalhos sobre a Teoria Geral da Relatividade de Einstein e veio a sucumbir à doença de pele contraída anteriormente. A doença, pênfigo, é um tipo raro de erupção cutânea. Ocorrem erros no sistema imunológico que identificam as células da pele como organismos estranhos e os ataca, causando bolhas dolorosas. Na época de Karl, não havia tratamento médico conhecido ou cura para a doença. Foi libertado do seu dever militar e internado em casa, em março de 1916, morrendo dois meses depois, a 11 de maio de 1916, com a idade de 42 anos, sendo sepultado no Stadtfriedhof de Göttingen.
Karl, morrendo no auge de suas conquistas, certamente foi um homem de grandes interesses científicos. Depois da sua morte prematura, o seu colega cientista Arthur Stanley Eddington observou, “...a ampla gama de suas contribuições para o conhecimento sugere uma comparação com Poincaré, mas Karl Schwartzschild era duplamente mais prático, ele encantou tanto pela concepção de métodos instrumentais como nos triunfos da análise... a sua alegria era variar sem restrições sobre os postos do conhecimento, e como um líder da guerrilha, os seus ataques caíram onde menos se espera...”. Além do seu trabalho em astronomia, que incluiu a mecânica celeste, a fotometria estelar observacional, sistemas ópticos, a astronomia observacional e instrumental, estrutura estelar e estatística, cometas e espectroscopia e a sua excelente contribuição na área da Teoria Geral da Relatividade, também trabalhou em eletrodinâmica e óptica geométrica (enquanto trabalhava na Göttinghen University) e manteve profundo interesse na teoria quântica.
As características de Karl não eram aquelas que são normalmente associadas aos cientistas de sua nacionalidade. Ele era um alpinista entusiasmado e tinha realizado algumas das subidas mais complicadas dos Alpes. Ele tinha um espírito de aventura e praticava desportos de inverno na Suíça. Um voo de Zeppelin foi a sua última grande aventura.
Como a sua morte muito prematura, as honrarias recebidas foram relativamente poucas durante a sua vida. Recebeu honras póstumas de um observatório, fundado em 1960, em Tautenburg como Instituto afiliado da Academia Alemã de Ciências. A dedicação descreveu-o como: “...o maior astrónomo alemão dos últimos 100 anos...”. Após a reunificação da Alemanha o Instituto foi refundado em 1992 e renomeado "Observatório Karl Schwarzschild" do estado de Turíngia de Tautenburg, que possui o maior telescópio da Alemanha. A Sociedade Astronómica Alemã estabeleceu um eleitorado especial em sua homenagem, em 1959 e uma medalha Karl Schwarzschild de Astronomia. O primeiro destinatário foi seu filho Martin Schwarzschild. O asteroide 837 Schwarzschild, descoberto em 23 de setembro de 1916 pelo astrónomo alemão Max Wolf, foi nomeado em sua homenagem, bem como a cratera de Schwarzschild na Lua.