Основные труды в области звёздной спектроскопии и электрофотометрии. В 1948 совместно с Дж. Холлом открыл линейную межзвёздную поляризацию света звёзд, опубликовал первые каталоги поляризации света звёзд (в 1956 — каталог 1259 звёзд); исследовал связь между степенью поляризации и величиной межзвёздного поглощения света. Выполнил большие ряды фотоэлектрических наблюдений звёзд. Создал совместно с Р. Уильямсом известный «Фотометрический атлас звёздных спектров» (1946). Много занимался конструированием электрофотометров, спектрофотометров, электронно-оптических преобразователей для астрономических целей.
Был редактором тома «Методы астрономии» серии «Звёзды и звёздные системы» (1962).
В его честь назван астероид № 4924.
Публикации
Хилтнер В. А. Электронно-оптические преобразователи для астрономической фотографии. — В книге:Методы астрономии. — Москва: Мир, 1967.
Хилтнер В. А. Поляризационные измерения.- В книге:Методы астрономии. — Москва: Мир, 1967.