Hillebrands ist ein bekannter Forscher auf dem Gebiet des Festkörper-Magnetismus, speziell im Forschungsbereich der Magnetoelektronik, der Spintronik und der Magnetisierungsdynamik. Er hat vor allem das Gebiet der Spinwellenanregung in dünnen Schichten, Vielfachschichten und Nanostrukturen in den vergangenen Jahrzehnten geprägt. Die von seiner Arbeitsgruppe und ihm gewonnenen Erkenntnisse bilden die Basis für die zukünftige Entwicklung magnetischer Speicher und Sensoren. Seine Forschungsergebnisse veröffentlichte Hillebrands in mehr als 250 Artikeln in renommierten Fachzeitschriften.
Doch Hillebrands ist nicht nur Mitglied des Landesforschungszentrums OPTIMAS und des Fachbereichs Physik der TU Kaiserslautern. Neben seiner Arbeit in Forschung und Lehre ist er seit 2006 Vizepräsident für Forschung und Technologie. Er gestaltet maßgeblich den Prozess der wissenschaftlichen Profilierung der Technischen Universität Kaiserslautern mit. Damit trägt er entscheidend zur Weiterentwicklung des gesamten Wissenschaftsstandorts Kaiserslautern und des Landes Rheinland-Pfalz bei.