W swoich badaniach podkreślał znaczenie znalezisk archeologicznych jako samodzielnych źródeł historycznych oraz konieczność krytycznej oceny przekazów pisanych.
W 1873 roku określił mianem typologii metodę polegającą na badaniu rozwoju form zabytków należących do tej samej grupy. Analizował w ten sposób m.in. przemiany konstrukcji i ornamentyki zapinek. Podobne badania prowadził w tym samym okresie Oscar Montelius, z którym Hildebrand współpracował w Państwowym Muzeum Historycznym.
Podczas międzynarodowego kongresu archeologicznego w Sztokholmie w 1874 roku zaproponował podział przedrzymskiej epoki żelaza w Europie Środkowej na wcześniejszy okres halsztacki i późniejszy okres lateński. Nazwy wywodziły się od stanowisk archeologicznych w Hallstatt i La Tène. Podział ten został następnie przyjęty w archeologii europejskiej i, po późniejszych modyfikacjach chronologicznych, jest nadal stosowany.
Hildebrand prowadził również badania nad kulturą materialną średniowiecznej Szwecji, dziejami mennictwa i monet oraz sztuką kościelną. W 1880 roku ukończył podręcznik De förhistoriska folken i Europa, stanowiący porównawcze opracowanie pradziejów Europy.