Вместе с семьей покинул Австрию в 1938. Участвовал во Второй мировой войне, служил в Отделе военной документации вооружённых сил США. После войны закончил Колумбийский университет, защитил диссертацию под руководством Франца Нойманна. Много лет преподавал в Вермонтском университете. В 1961 появилась его монография «The Destruction of the European Jews» («Уничтожение евреев Европы», на русском языке не выходила)— по формулировке Ханны Арендт в ее книге «Эйхман в Иерусалиме» (1963), «первое ясное описание невероятно сложной механики уничтожения, разработанной нацизмом». Книга стала настольной для исследователей Холокоста и историков XX столетия, в 1985 она в значительно расширенном и дополненном виде была издана в трёх томах. Ещё одно прижизненное трёхтомное издание вышло в 2003 году.
Хильберг был одним из основателей и научным экспертом Мемориального музея Холокоста в Вашингтоне. Участвовал в фильме Клода Ланцмана «Шоа».
Награжден крестом ФРГ за заслуги (2002), почетный доктор Венского университета (2002), член Американской Академии искусств и наук (2005). Лауреат премии Ганса и Софи Шолль (2002).