Hilbert thống nhất ngành số học đại số (algebraic number theory) với tác phẩm năm 1897 Zahlbericht (dịch sát là "báo cáo về các con số"). Ông bác bỏ bài toán Waring theo nghĩa rộng. Ông sau đó xuất bản thêm một số kết quả; nhưng sự vượt lên của dạng modular Hilbert (Hilbert modular form) trong luận văn của một học sinh làm tên ông liên quan xa hơn trong một lãnh vục lớn.

Ông có một loạt các phỏng đoán về lý thuyết lớp và trường (class field theory). Những khái niệm này có nhiều ảnh hưởng lớn, và đóng góp của ông được thấy trong các tên Hilbert class field và ký hiệu Hilbert của lý thuyết class field địa phương. Các kết quả về chúng được chứng minh hầu hết cho đến hết năm 1930, sau khi các công trình xuyên phá của Teiji Takagi thiết lập tên tuổi ông như một trong những nhà toán học Nhật có tầm cỡ thế giới đầu tiên.

Hilbert không làm việc với các ngành trung tâm của giải tích số học (analytic number theory), nhưng tên của ông được biết đến qua phỏng đoán Hilbert-Pólya, vì những lý do mà không ai biết rõ.