Op 4 januari 2013 werd Hiljemark getransfereerd naar PSV, dat 2,2 miljoen voor hem betaalde. Eerder werd een bod van 2,5 miljoen euro van OGC Nice aanvaard, maar hij zag een transfer naar de Zuid-Franse club niet zitten. Hiljemark speelde tweeënhalf seizoen voor PSV. Nadat hij het hier in zijn eerste halfjaar vooral met invalbeurten moest doen, speelde hij gedurende het seizoen 2013/14 het merendeel van de wedstrijden. In 2015 werd hij met PSV Nederlands landskampioen. Mede door blessures kwam hijzelf dat jaar tot elf competitiewedstrijden. In de zomer van 2015 was Hiljemark aanvoerder van Jong Zweden op het EK onder 21, waarmee hij de Europese titel pakte. Hiermee speelde hij zich in de belangstelling van verschillende clubs. PSV was bereid mee te werken aan een eventuele transfer en gaf Hiljemark toestemming om, kort na terugkeer bij PSV, te onderhandelen met US Palermo.