В 1944—1960 гг. он заведовал кафедрой теоретической механики Бакинского государственного университета, в 1967—1974 гг. был директором Института математики и механики АН АзССР.
в 1957—1959 гг. был академиком-секретарём отделения физико-математических и технических наук, затем вице-президентом, с 1962 по 1967 гг. президентом АН Азербайджанской ССР.
К основным областям исследования относятся функциональный анализ и его применения к интегральным и дифференциальным уравнениям, механика сплошной среды, математическая теория систем автоматического управления и другие области математики.
З.Халилов был одним из первых математиков Азербайджана, положил основу школы функционального анализа.
Решил общую краевую задачу для полигармонических систем уравнений, дал аналог метода Фурье для решения смешанных задач с неразделяющимися переменными и метод сеток для решения модельного уравнения смешанного типа. Он создал теорию абстрактных сингулярных операторов, дал решение ряда задач подземной гидромеханики, применяемых в разработке нефтегазовых месторождений, исследовал спектр несамосопряжённых операторов в Банаховом пространстве.
З.Халилов имел большие заслуги в подготовке высококвалифицированных кадров. Он был избран президентом Общества математиков Азербайджана.