Hilde Huizenga richt zich in haar onderzoek op formele modellen voor menselijk gedrag en voor de onderliggende hersenactiviteit. Deze formele, wiskundige modellen geven nieuwe inzichten in hoe mensen beslissen en zichzelf aansturen, en in hoe deze vermogens veranderen gedurende de levensloop. Huizenga maakt deze formele modellen en past ze toe op experimenteel vergaarde gegevens. In het onderwijs dat ze geeft, besteedt ze met name aandacht aan de toepassing van deze formele modellen. Toepassingen in de maatschappij worden gestimuleerd door het ontwikkelen van gebruikersvriendelijke webapplicaties en door het initiëren van gecombineerde promotie- en klinische praktijkprojecten.

Huizenga is sinds 2002 werkzaam aan de UvA, sinds 2003 als universitair hoofddocent. Zij verwierf vele onderzoeksubsidies, waaronder een postdoctoraal fellowship van de Koninklijke Nederlandse Academie van Wetenschappen (KNAW), een Aandachtsgebied-subsidie en Vidi- en Vici-subsidies van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO). Huizenga publiceerde artikelen met een wiskundige focus, waaronder in IEEE Transactions on Biomedical Engineering en NeuroImage, en artikelen met een inhoudelijke focus, bijvoorbeeld in Developmental Science en Biological Psychiatry.