Nach Abschluss ihres Medizinstudiums begann Anne Hilgendorff ihre Facharztausbildung in der Kinderheilkunde bei Professor Ludwig Gortner in Gießen. Ihre klinische Laufbahn in Allgemeiner Pädiatrie und Intensivmedizin entwickelte bald einen Schwerpunkt in der Neonatologie und war begleitet von wissenschaftlicher Arbeit auf dem Gebiet der akuten und chronischen Lungenerkrankungen bei Neugeborenen, geprägt von der Arbeit im Nationalen Genom-Forschungsnetz (NGFN).
Nach ihrem Fellowship in der Neonatologie bei Professor Andreas Schulze am Perinatalzentrum der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) in Großhadern, München, verfolgte Anne Hilgendorff erfolgreich ein PostDoctoral Fellowship an der Universität in Stanford bei Professor Bland und Rabinovitch. Die enge Zusammenarbeit wurde in einer internationalen Forschergruppe der DFG und über eine Gastprofessur weitergeführt.
Im Jahr 2012 warb Anne Hilgendorff erfolgreich die Leitung einer unabhängigen Helmholtz-Nachwuchsgruppe am Comprehensive Pneumology Center (CPC), Helmholtz Zentrum München, ein, die sie bis 2023 erfolgreich als eigenständige Gruppe führte. Ihre Gruppe konzentrierte sich auf früh postnatale Pathomechanismen der neonatalen chronischen Lungenerkrankung und weitete sich auf das Verständnis der Entwicklung von kardialen und zentralnervösen Komorbiditäten bei diesen Patienten aus. Die Gruppe setzte dazu verschiedene einzigartige präklinische und fortgeschrittene in vitro-Systeme ein. Der starke translationale Fokus der Forschungsgruppe spiegelte sich in umfassenden klinischen Studien an einer einzigartigen Kohorte von Frühgeborenen (Attention to Infants @Respiratory Risks (AIRR)) in Zusammenarbeit mit dem Perinatalzentrum der LMU wider, die der Identifizierung von (patentierten) protein- und bildbasierten Biomarkern diente.
Anne Hilgendorff war Mitglied des Leitungsteams des CPC und baute 10 Jahre lang erfolgreich das CPC-M bioArchiv als das größte lungenspezifische Biorepositorium in Bayern auf, das Gewebe- und Körperflüssigkeitsproben aus einer Vielzahl von Lungenerkrankungen bei Erwachsenen und Kindern umfasst.
Anne Hilgendorff arbeitet erfolgreich in internationalen und nationalen Konsortien und Netzwerken wie dem transregionalen Sonderforschungsbereich "Perinatal Development of Immune Cell Topology (PILOT, TRR 359) und dem Deutschen Zentrum für Lungenforschung (DZL; Lead Disease Area Diffuse Parenchymal Lung Diseases (DPLD)).
Nach Gründung und Leitung des Comprehensive Developmental Care Center (CDeCLMU) am integrierten Sozialpädiatrischen Zentrum (Dr. von Haunersche Kinderklinik, LMU) zur Nachsorge von Früh- und Risikogeborenen, hat Anne Hilgendorff nun die Leitung der Translationalen Neonatologie am Klinikum Oldenburg und der Carl-von Ossietzky Universität in Oldenburg übernommen.
Lehre und Mentoring sind ein zentrales Element der Arbeit von Anne Hilgendorf, die in zahlreichen MD-PhD- und Mentoring-Programmen und als aktives Mitglied des MeCuM Intensiv-Seminar-Lehre (InSel), Faculty Training Medical School (LMU, München) gewirkt hat und bis heute über 30 MD- und PhD-Studenten ausbilden konnte.