Исследования Гильберта оказали большое влияние на развитие многих разделов математики, а его деятельность в Геттингенском университете в значительной мере содействовала тому, что Геттинген в первой трети XX в. являлся одним из основных мировых центров математической мысли. Диссертации большого числа крупных математиков (среди них Г. Вейль, Р. Курант) были написаны под его научным руководством.

Научная биография Гильберта резко распадается на периоды, посвященные работе в какой-либо одной области математики:

• теория инвариантов (1885–1893);

• теория алгебраических чисел (1893-98);

• основания геометрии (1898–1902);

• принцип Дирихле и примыкающие к нему проблемы вариационного исчисления и дифференциальных уравнений (1900–1906);

• теория интегральных уравнений (1900–1910);

• решение проблемы Варинга в теории чисел (1908–1909);

• основы математической физики (1910–1922);

• логические основы математики (1922–1939).

В теории инвариантов исследования Гильберта явились завершением периода бурного развития этой области математики во второй половине XIX в. Им доказана основная теорема о существовании конечного базиса системы инвариантов. Работы Гильберта по теории алгебраических чисел преобразовали эту область математики и стали исходным пунктом ее последующего развития. Данное Гильбертом решение проблемы Дирихле положило начало разработке так называемых прямых методов в вариационном исчислении. Построенная Гильбертом теория интегральных уравнений с симметричным ядром составила одну из основ современного функционального анализа, и особенно спектральной теории линейных операторов. "Основания геометрии Гильберта" (1899) стали образцом для дальнейших работ по аксиоматическому построению геометрии.

К 1922 г. у Гильберта сложился значительно более обширный план обоснования всей математики путем ее полной формализации с последующим "метаматематическим" доказательством непротиворечивости формализованной математики. Два тома "Оснований математики", написанных Гильбертом совместно с П. Бернайсом, в которых эта концепция подробно развивается, вышли в 1934 г. и 1939 г. Первоначальные надежды Гильберта в этой области не оправдались: проблема непротиворечивости формализованных математических теорий оказалась глубже и труднее, чем Гильберт предполагал, сначала. Но вся дальнейшая работа над логическими основами математики в большой мере идет по пути, намеченному Гильбертом, и использует созданные им концепции.

Считая с логической точки зрения необходимой полную формализацию математики, Гильберт в то же время верил в силу творческой математической интуиции. Он был большим мастером в высшей степени наглядного изложения математических теорий. В этом отношении замечательна "Наглядная геометрия", написанная Гильбертом совместно с С. Кон-Фоссеном. Для творчества Гильберта характерны уверенность в неограниченной силе человеческого разума, убеждение в единстве математической науки и единстве математики и естествознания. Собрание сочинений Гильберта, изданное под его наблюдением (1932–1935), кончается статьей "Познание природы", а эта статья — лозунгом "Мы должны знать — мы будем знать".