Der Hilsbach entsteht auf der Gemarkung der ehemals eigenständigen Stadt Hilsbach (seit 1971 zu Sinsheim gehörig) aus dem Zusammenfluss von einigen mehr oder weniger beständigen Quellbächen. Zuweilen ist von neun Quellen die Rede. Der als Hauptoberlauf geltende Vollmersgrundgraben entspringt wenig südlich der von Weiler im Osten nach Buchenauerhof im Westen führenden K 4277 auf der Gemarkungsgrenze zum ebenfalls Sinsheimer Teilort Weiler. Er folgt dieser neben einem Feldweg wenige hundert Meter nach Westen und wendet sich dann nach Süden auf das Dorf Hilsbach hin zu, weiterhin als Feldweggraben. Beim Sportgelände am Nordrand von Hilsbach fließt nach insgesamt 1,1 km von rechts ein kürzerer Weggraben zu, von dort an heißt der Bach Hilsbach, der nun bis zur Mündung recht beständig südsüdöstlich läuft. Zunächst durchquert er dabei das gleichnamige Dorf, die einzige bedeutende Ansiedlung an seinem Lauf vor der Stadt an der Mündung. Noch am südlichen Ortsrand mündet, von Westen aus dem Waldgebiet um den Eichelberg kommend, der 2 km lange Odenheimer Graben. Weiter abwärts passiert er nacheinander die Mettelmühle und die Eichmühle, die beide in Einzellage am Ufer stehen. Nach etwas über der Hälfte des Laufes mündet der Bruchgraben inzwischen auf dem Stadtgebiet von Eppingen von rechts und Nordwesten. Nach etwa zwei Dritteln des Laufs folgt von links und Norden an der zum Ortsteil Adelshofen der Stadt gehörenden ehemaligen Adelshofer Mühle der Nesselbach, der zuvor das Dorf Adelshofen durchlaufen hat. Beide dieser bedeutendsten Zuflüsse sind etwas länger als 4 km. An der Mühle quert mit der Landesstraße 550 auch die erste größere Straße den Bach, von dem gleich nach dem Zulauf nach links der Obere Mühlgraben abzweigt. Hinfort folgt dem Hilsbach selbst an der rechten Seite die Landesstraße 552. Erst nachdem noch die B 293 im Zuge ihrer im Norden die Stadt umgehende Schlinge auf einem Damm das kleine Tälchen gequert hat, erreicht der Hilsbach die Siedlungsgrenze von Eppingen, wo auch der fast 2 km lange linken Seitengraben zurückläuft. Um die Trasse des Baches durch die Stadt bleibt oft ein grüner Streifen unbebaut. Den alten Stadtkern passiert er an dessen Nordrand, dann mündet der Hilsbach auf etwa 186 m ü. NN in Fortsetzung des Mühlweges von links in die Elsenz in deren großem Linksbogen am Oberlauf, mit dem sie sich von Südost- auf Nordlauf kehrt. Das Einzugsgebiet des Hilsbachs umfasst 26,3 km², es liegt im Naturraum Kraichgau weit überwiegend in dessen Teilraum Eppinger Gäue und hat daneben noch am Oberlauf westlich von Hilsbach einen kleineren Anteil am Teilraum Eichelberg um den gleichnamigen Berg Eichelberg, der mit seiner Gipfelhöhe von 326,8 m ü. NN am Nordwesteck die zweithöchste Erhebung des Einzugsgebietes ist. Die höchste ist der Steinsberg mit 333,2 m ü. NN mit seiner weithin sichtbaren Burg bei Weiler an der Nordecke. Weil der Hilsbach in den großen Bogen der oberen Elsenz hineinläuft, die unweit der Quelle seines großen rechten Zuflusses Bruchgraben entspringt, läuft der Vorfluter Elsenz fast parallel zum Hilsbach und ohne wesentliche linke Zuflüsse recht dicht hinter der westsüdwestlichen Einzugsgebietsgrenze; hinter der östlichen zur Elsenz unterhalb der Hilsbach-Mündung konkurrieren dagegen nach und nach länger werdende linke Seitenbäche der Elsenz bis hinunter zum Ittlinger Sulzgraben. Jenseits der die beiden höchsten Punkte verbindenden Nordnordwestgrenze liegt im östlichen Teil das Quellgebiet des noch weiter unten in die Elsenz mündenden Ilvesbachs, im westlichen das Quellgebiet des Waldangelbachs, der über den Leimbach in den Oberrhein entwässert. An dieses grenzt südlich das Einzugsgebiet des Kraichbachs an der obersten westlichen Wasserscheide des Hilsbachs, welcher direkt in den Oberrhein mündet. Auf diesem letzten Stück über den Eichelberg hinweg gegen Waldangelbach und Kraichbach ist also die Einzugsgebietsgrenze Teil der Neckar-Rhein-Wasserscheide.
