Hjalmar Heiberg var professor i patologisk anatomi ved universitetet i Christiania og overlege (prosektor) ved Rikshospitalet. Han var i sin tid landets fremste forsker på betennelser, og han ble derfor også en av den nye bakterielærens fremste forkjempere. Som lærer, forsker og menneske kom han til å prege norsk medisin i de tre siste tiårene av 1800-tallet.
Heiberg vokste opp i Christiania, der faren var professor i kirurgi og øyesykdommer og overlege ved Rikshospitalet. Han ble student 1855 og tok medisinsk embetseksamen 1862. Etter eksamen valgte han å utdanne seg videre i et av farens fag, oftalmologi (øyesykdommer). 1866 ble han imidlertid ansatt som assistent hos Rikshospitalets lærer i patologisk anatomi, professor Emanuel Winge, og han begynte derfor å orientere seg mot dette faget i stedet. Da Emanuel Winge og Hjalmar Heiberg 1869 påviste at flere av datidens hyppig forekommende infeksjoner kunne føre til en dødelig betennelse i hjertet (endokarditt), ble dette utgangspunktet for Heibergs selvstendige karriere som patologisk og bakteriologisk forsker.
Da Emanuel Winge like etterpå valgte å ta over professoratet i indremedisin, ble Hjalmar Heiberg 1870 ansatt som hans etterfølger i faget patologisk anatomi. Han fikk et års stipend for å perfeksjonere seg i faget i utlandet og drog til Würzburg og Wien før han tiltrådte professoratet. I årene etterpå kom Heiberg til å publisere flere sentrale artikler på infeksjonslærens område, både på grunnlag av sin egen forskning i laboratoriet på Rikshospitalet, og som formidler av utenlandsk forskning.
Hjalmar Heiberg hadde spesielt gode pedagogiske evner. Lørdagene brukte han til å demonstrere ukens laboratoriearbeid. Disse møtene ble svært godt besøkt både av leger fra Christiania og av tilreisende. Han holdt også flere foredrag i Christianias medisinske selskap over bakterielærens nyvinninger. Disse ble ofte etterfulgt av heftige debatter omkring infeksjonssykdommenes natur, i en periode hvor dette ennå ikke var helt avklart.
Heiberg nedla et stort arbeid som lærer for medisinerstudentene gjennom hele 27 år, et arbeid som studentene satte stor pris på. Han oppfordret også sine assistenter til å utføre selvstendige vitenskapelige arbeider. Enkelte av disse arbeidene ble trykt i et festskrift i anledning hans 25-årsjubileum som universitetslærer 1895. Heiberg ble utnevnt til ridder av 1. klasse av St. Olavs Orden 1890 og til æresdoktor ved Lunds Universitet 1893.
1884 mistet Heiberg sin hustru Jeanette i barselfeber, en sykdom som han i mange år hadde studert i obduksjonsstuen på Rikshospitalet. I samme periode holdt han paradoksalt nok selv på med et folkeopplysningsprosjekt om bakterielæren og dens konsekvenser for folks hygiene, gjennom en serie avisartikler og offentlige foredrag.