其實還是在希爾伯特做講師期間，赫茲便證明了麥克斯韋所預言的電磁波的存在。回顧起來，希爾伯特認為現代物理的新紀元就是從那時開始的，接著便是一連串的新發現：倫琴發現X射線，居裏夫婦發現放射性，湯姆森發現電子等等。在同一時期，普朗克提出了量子理論，愛因斯坦建立了狹義相對論。短短數十年間，偉大的發現如雨後春筍，數量之多，抵得上以往好幾個世紀。但是作為一個數學家，他感到在物理學家的勝利中還缺少某種秩序。雖然希爾伯特堅信公理方法可使物理擺脫混亂，但他承認：光靠數學的力量是解決不了物理問題的。
希爾伯
特已經改造了數學，下一步是改造物理學。現在希爾伯特打算對另一門物理分支開展研究，使它建立在可以接受的數學基礎之上。他從氣體運動論轉向一個新的領域，這就是初等輻射理論，在這裏，物理概念同樣直接引導到積分方程。在隨後的兩三年內，他發表了一係列論文，以線性積分方程為工具，推導了初等輻射理論的基本定理，為這些定理奠定了公理化基礎，並證明了他所提出公理的相容性。希爾伯特對輻射理論的處理，實質上是為他在巴黎提出的將物理學統一成一個整體的途徑建立了一個模式。
最後的日子
進入20世紀20年代，哥廷根最重要的數學活動就要算是數學俱樂部的活動了。
它每星期定期舉行一次講演集會，是一種不拘形式，沒有負責人，沒有會員，也不收取會費的組織，凡是具有博士學位的教授、講師或者學生都可以自由地在集會上發表講演。
在這樣的會上，有些新參加的優秀的年輕人目睹著大名鼎鼎的希爾伯特的思考過程時，時常驚訝地發覺：許多很容易被理解的想法，希爾伯特卻理解得特別慢。他常常聽不懂報告人的意思，甚至有時幾乎所有到會的人都出來幫他理解報告人的意思。然而希爾伯特卻認為：“我之所以能在教學上做一點工作，就是因為我總覺得它特別難。在我閱讀或聽別人講解某些問題時，常覺得它很難理解甚至不可能理解。這時便想，這些問題可否化簡些呢？往往，我終於弄清楚了，這實際上是一個更簡單的問題！”
1922年1月23日，希爾伯特的60歲壽辰，德國《自然科學》周刊為希爾伯特出版了紀念專輯。專輯以希爾伯特最早的學生奧托·布魯門薩爾的文章開頭，他幾乎在整整四分之一世紀的時間裏對他這位“學父”進行了深入細致的觀察。布魯門薩爾在文章中概括了希爾伯特的科學生涯和個人特質：
希爾伯特的研究生涯發祥於對具體問題的研究；他在科學生活中最顯著的特征就是不落窠臼地繼續前進，一個問題剛解決，就毫不停頓地往另一個問題進擊。人們真的把他看成是一個全能的數學家、問題的解決者和純粹思維的化身。除了布魯門薩爾之外別的學生的文章介紹了導師從事研究的五個主要領域——代數、幾何、分析、數學、物理和數學哲學。
同年，希爾伯特在一次紀念魏爾斯特拉斯的會議上，發表了著名的題為《論無限》的演說，雖然他還在為數學而奮鬥著，但這位戰士的健康已不如往昔了。
他仍然希望能實現他的使物理學公理化的宏願，不過在其助手看來，他已不再是位傳奇式的“偉大思想家”了。他已經開始顯露出早期衰老的跡象——不易接受新事物，對不少問題抱有成見，固執己見。但即便如此，他與年輕人之間仍然保持著極密切的聯係。1924年，24歲的馮·諾依曼對希爾伯特的物理學和證明論思想產生的濃厚的興趣使這兩位年齡相差40多歲的數學家一起度過了許多時光。
這段時期希爾伯特的真正合作者是貝爾奈斯。有時雖然兩人因為學術觀點的不一致而激烈地爭論，但希爾伯特從來不讓學術上的爭論影響他與助手的個人關係。
1925年，希爾伯特的健康每況愈下。他患了惡性貧血，醫生預計他最多隻能再活幾個月。可希爾伯特樂觀地認為自己的病並不嚴重，從沒有中斷過工作，當體力不支時，他就把家裏的餐廳當作講演廳。1926年春，在病魔纏身時，他預告了關於量子力學的第一次講演。
幸運的是，美國人研製出的新藥挽救了希爾伯特的生命。恢複健康後，他又致力於數學基礎的研究了。1927年，他再次訪問了漢堡，總結和發展他五年前曾在這裏論述，之後又一直為數學界熱烈探討的關於數學基礎的思想的爭論。
1928年8月，意大利數學家在籌備1912年以來的第一次正規的國際會議時，向德國的數學界發出了邀請。因為戰後德國數學家一直沒收到任何國際會議的邀請，所以這次許多人都不願參加。可是希爾伯特雖然舊病複發，仍毅然率領一個由67名數學家組成的代表團出席了會議。在他看來，“為了我們無比熱愛的數學科學的繁榮，我們應該這樣做，並且也隻能這樣做。”