Na zijn promotie aan de universiteit van Berlijn, begon hij daar een polikliniek, waar hij onderzoek naar de werking van de hersenen, loodvergiftiging en verlammingen deed. Hij was zeer geïnteresseerd in de uitwerking van elektriciteit op de hersenen en deed proeven met konijnen, honden en apen.
Hitzig was als arts deelnemer aan de oorlog tegen Frankrijk en werd hiervoor onderscheiden. Na de oorlog bleef hij nog enige tijd aan het leger verbonden.
In 1872 werd hij de opvolger van Bernhard von Gudden als professor aan de universiteit van Zürich en directeur van de kliniek Burghölzli, waar hij zijn onderzoek voortzette en neurochirurgie uitvoerde. In 1879 werd hij opgevolgd door Auguste Forel. Hitzig werd professor aan de Universiteit van Halle.
Als gevolg van diabetes was Hitzig aan het einde van zijn leven nagenoeg blind.
