1928 eröffnete Hillebrand ihr eigenes Architekturbüro in Frankfurt am Main. Während des Nazi-Regimes war ihr die Ausübung ihres Berufs untersagt. Leidvolle Erfahrungen, besonders der Selbstmord ihrer jüdischen Mutter aus Angst vor der Deportation, haben tiefe Spuren in ihrem Leben hinterlassen.

Zwischen 1945 und 1973 betrieb sie ein eigenes Büro in Göttingen. Viele ihrer Bauten waren Antworten auf drängende soziale Fragen der Zeit: Studentenwohnheime, eine Kirche für Flüchtlinge und Einrichtungen für Kinder und Jugendliche. Ihre Bauten boten ihren Nutzerinnen und Nutzern Orientierung und Geborgenheit.

1973 starb ihr Mann, der Soziologe und Journalist Erich Gerlach. Hillebrand schloss daraufhin ihr Büro und wandte sich mehr theoretischen Themen zu; von 1988/89 lehrte sie an der Gesamthochschule Kassel. Schon 1986 erwarb das Deutsche Architekurmuseum ihren Vorlass. Damit war sie die erste Architektin, deren Werk in das Archiv des Museums einging. Lucy Hillebrand war 91 Jahre alt, als sie 1997 in Göttingen starb.