Die Grundsätze von Hilzheimers Weltbild waren die kritische Wissenschaft, die Vernunft und der aufgeklärt, kritisch-reflektierte Bürger. Auf dieser Basis ist auch die Arbeit Hilzheimers als Naturschützer zu verstehen. Er unterschied sich von anderen Naturschützern dadurch, dass er den Schutz der Natur nicht über die Freizeitnutzung in der freien Natur stellte. Auch in naturnahen und schützenswerten Flächen sollte der Stadtbevölkerung die Erholung und das Erlebnis der Natur möglich sein.
In den Jahren nach der Ausweisung der beiden ersten Berliner Naturschutzgebiete Lichterfelder Schlosspark und der Pfaueninsel im Jahre 1924 gelang es Hilzheimer, die Sicherung weiterer schutzwürdige Gebiete voranzubringen. Er schuf die Grundlagen für die Ausweisung zahlreicher Schutzgebiete und Naturdenkmale wie Großer Stein bei Buchholz, Fauler See in Weißensee, Großer Rohrpfuhl, Kleiner Rohrpfuhl, Köpenicker Dammforst, Vogelfreistätte Insel Imchen bei Kladow, Vogelschutzgebiet Rudow sowie von Teilen des Spandauer Forsts und des Kalktuffgeländes. Letzteres wurde nach seinen Vorschlägen unter dem Namen „Naturschutzgebiet bei Schildow“ am 26. 2.1929 vom Polizeipräsidenten sichergestellt (STAATLICHE STELLE FÜR NATURDENKMALPFLEGE IN PREUSSEN 1929). Durch den Beschuss des Berliner Senats wurde das Gebiet im Jahr 2000 der EU-Kommission insbesondere wegen seiner kalkhaltigen Quellen und Kalktuffe als Flora-Fauna-Habitat-Gebiet gemeldet. 2017 wurde das ehemalige
Naturschutzgebiet Schildow als Naturschutzgebiet Kalktuffgelände am Tegeler Fließ nach EU-Vorgaben überarbeitet und neu verordnet (OBERSTE NATURSCHUTZBEHÖRDE BERLIN).
Max Hilzheimer verstand Naturschutz auch als Bildungsarbeit. Seine Auffassung war, dass es die Natur nicht rettet, wenn man alleine Schutzgebiete ausweist, sondern dass sich vielmehr das Bewusstsein der Menschen ändern muss, damit sie respektvoll mit der Natur umgehen. Zu seinem Verständnis gehörte es, dass sich Menschen innerhalb und außerhalb der Stadt Berlin erholen und die freie Natur ebenso wie die Stadtnatur genießen können.
Max Hilzheimer brachte den Naturschutz der breiten Stadtbevölkerung nahe, auch indem er Vorträge hielt, an der Berliner Volkshochschule sowie an gewerkschaftlichen Bildungseinrichtungen lehrte und Forstmitarbeiter in Naturschutzthemen ausbildete. Ferner beriet Hilzheimer Grünflächenämter oder die für den Vollzug des Naturschutzes zuständige Polizei und verfasste Vorworte, Gutachten und Aufsätze.
Hilzheimer äußerte sich auch gegen die Entnahme von Grundwasser in Feuchtgebieten, für die Einrichtung von Vogelschutzgebieten oder gegen Mülldeponien auf stadtnahen Moorstandorten. Hilzheimer erkannte, dass ohne Pflegemaßnahmen durch den Naturschutz die Sukzession auf Moorstandorten und damit deren Vernichtung nicht verhindert werden kann. Auch im „Kleinen“ war Hilzheimer ein scharfer Beobachter und Mahner, indem er zum Beispiel das übermäßige Laubharken in den Parks der Stadt thematisierte, weil es sich negativ auf die Vogelwelt auswirkt.
Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit Hilzheimers lag in der Beschäftigung mit dem Landschaftsbild (FROHN 2020), das aus heutiger Sicht ein wichtiges Kriterium für Fragen der Eingriffe in Natur und Landschaft und der Kompensation darstellt. Hilzheimer beschrieb die freie Sicht auf Seeufer und auf unverbaute Landschaften ohne Fabrikschlote oder Überlandleitungen und machte deutlich, dass es wichtig ist, das Landschaftsbild als Teil der Naturwahrnehmung und des Naturschutzes zu berücksichtigen.
