Una risposta sintetica a questa domanda è che si produce un nuovo buco nero, con una massa complessiva un po' più piccola della somma dei singoli buchi neri, la differenza essendo nella quantità di massa-energia (e momento angolare) prodotta dalla fusione dei due buchi neri, e irraggiata all'infinito.
Una risposta più articolata è che lo studio di questo processo è estremamente complicato a causa della non linearità delle equazioni di Einstein che descrivono il moto e la dinamica dei buchi neri. Per questa ragione non esistono soluzioni analitiche che descrivano il processo, che può essere studiato solo attraverso simulazioni di relatività numerica. Come accennato, il processo di coalescenza (fusione) di due buchi neri porterà fondamentalmente alla formazione di un nuovo buco nero singolo a cui si accompagnerà un'intensa emissione di onde gravitazionali(*). I dettagli della coalescenza (cioè quanto grande sarà la massa e il momento angolare del nuovo buco nero) dipenderanno dai dettagli che descrivono il contatto e la coalescenza tra i buchi neri (cioè se questi sono rotanti oppure no; se il contatto avviene “frontalmente” o invece “di taglio”; se questi hanno cariche elettriche nette ecc.). Inoltre, se i buchi neri sono supermassicci come quelli presenti nei nuclei galattici attivi (cioè con masse di milioni o di miliardi di masse solari), essi saranno molto probabilmente circondati da dischi di accrescimento che verrano distrutti dal processo di coalescenza, dando vita anche all'emissione di radiazione elettromagnetica su varie bande (ottiche, X e, probabilmente, gamma). In questo caso, quindi, la coalescenza potrebbe essere rivelata sia attraverso la radiazione gravitazionale prodotta che attraverso quella elettromagnetica, fornendo importantissime informazioni sulle proprietà dei buchi neri e sulla materia che accresce su di essi.

(*) Le onde gravitazionali sono delle “increspature” dello spaziotempo la cui esistenza è prevista dalla teoria della relatività generale di Einstein, ma la cui rivelazione diretta non è ancora avvenuta (sebbene esistano delle evidenze indirette attraverso lo studio dell'evoluzione orbitale di sistemi binari di stelle di neutroni). In generale le onde gravitazionali hanno ampiezze estremamente piccole (da cui la difficoltà di rivelarle) ,ma sufficienteme grandi da essere rivelate da strumenti appositi, qualora prodotte dal moto a velocità vicine a quella della luce di masse enormi e concentrate (come appunto nel caso della coalescenza di buchi neri o di stelle di neutroni). Un numero di rivelatori, come ad esempio LIGO o VIRGO (quest'ultimo in costruzione in Italia), si propongono appunto di rivelare questo tipo di sorgenti.