1902 übernahm Hiltner als Direktor die Leitung der neugegründeten "Königlich Bayerischen Agrikulturbotanischen Anstalt" in München (1917 umbenannt in "Bayerische Landesanstalt für Pflanzenbau und Pflanzenschutz"). Innerhalb weniger Jahre baute er diese Anstalt zu einer vorbildlich organisierten, effektiv arbeitenden Institution aus. Die Probleme der landwirtschaftlichen Praxis bestimmten fortan Hiltners vielseitige Forschungstätigkeit. Das in Tharandt entwickelte Impfverfahren für Leguminosen-Saatgut konnte er innerhalb kurzer Zeit entscheidend verbessern. Seine Anstalt war bis 1904 die einzige Stelle in der Welt, die "Impfbakterien" an die Landwirte abgab. Auf der Weltausstellung 1904 in St. Louis (Michigan/USA) wurden Hiltner und seine Agrikulturbotanische Anstalt mit einer Goldmedaille ausgezeichnet.