Ещё до смерти Минковского, в 1909 году, Гильберт начал систематическое изучение теоретической физики в тесном сотрудничестве со своим старым другом, который всегда находился в курсе достижений соседней науки. Работа Минковского по теории относительности стала первым плодом этих совместных занятий. Гильберт продолжал их в течение многих лет и в период между 1910 и 1930 годами часто читал лекции и вёл семинары на физические темы. Он с большой радостью расширял свой кругозор и свой контакт с физиками, с которыми он мог встречаться на их собственной территории. Тем не менее урожай, собранный им на этой почве, вряд ли может сравниться с его достижениями в чистой математике. Многообразие экспериментальных фактов, которые приходится принимать во внимание физику, является огромным, их увеличение происходит слишком быстро, а их значение и относительный вес слишком изменчивы, чтобы аксиоматический метод смог найти здесь себе достаточно твёрдую опору, разве что это возможно в каких-нибудь прочно установившихся областях нашей физической науки. Люди, подобные Эйнштейну или Нильсу Бору, в темноте прокладывают свой путь к своим концепциям об общей теории относительности или структуре атома, руководствуясь опытом и воображением, отличными от тех, которыми пользуются математики, хотя, без сомнения, и для них математика играет важную роль. В результате, обширным планам Гильберта в области физики так и не суждено было свершиться.
Однако применение им интегральных уравнений к кинетической теории газов и элементарной теории излучения представляет собой значительное достижение. В частности, его асимптотическое решение фундаментального уравнения Максвелла—Больцмана в кинетической теории газов, интегрального уравнения второго порядка, чётко разделило два слоя экспериментальных физических законов, к которым приводит эта теория. Более подробно это решение было рассмотрено физиками, которые применили его к ряду конкретных проблем. В своих исследованиях по общей теории относительности Гильберт соединил теорию гравитации Эйнштейна с программой единой теории поля Г. Ми. Более трезвый подход Эйнштейна, не связанный с весьма спекулятивной программой Ми, оказался более полезным. Работа Гильберта может рассматриваться как предвестник единой теории гравитации и электромагнетизма. Однако в гамильтониане Гильберта остаётся ещё слишком много произвольности; последующие попытки избавиться от неё (Вейль, Эддингтон, сам Эйнштейн и другие) не достигли окончательной цели.
В то время в кружке Гильберта царило очень радужное настроение; мечта о некотором универсальном законе, управляющем как космосом в целом, так и всеми атомными ядрами, казалась почти воплощённой. Однако проблема создания единой теории поля остается нерешённой и поныне; почти наверняка, помимо гравитации и электромагнетизма, удовлетворительное решение должно будет включать и материальные волны (функцию ? Шрёдингера—Дирака для электрона и аналогичные характеристики поля для других ядерных частиц), а математическое оформление теории не ограничится простым обобщением ставшей уже классической теории гравитации Эйнштейна.
Гильберт был не только великим учёным, но и великим учителем. Свидетелями этого являются его многочисленные ученики и ассистенты, которых он учил математическому ремеслу, вовлекая их в свою собственную работу, в изобилии делясь своими идеями, а также с помощью своих лекций, многие записи которых нашли свою дорогу из Гёттингена в публичные и личные математические библиотеки. Эти лекции охватывают чрезвычайно разнообразные разделы математики. Опубликованная в соавторстве с С. Кон-Фоссеном
