Tilg ist bekannt für seine Arbeiten über chronische Entzündungsmechanismen und die Rolle von Entzündungsmediatoren (Zytokinen). Zuletzt fokussierte sich sein Interesse auf die Rolle der Darmbakterien bei metabolischer Entzündung und assoziierten Erkrankungen wie Fettlebererkrankung und Typ-2- Diabetes. Er konnte diesbezüglich auch international beachtete Krankheitshypothesen aufstellen.