Doktorasını 2005 yılında Harvard Üniversitesi Tarih ve Ortadoğu Araştırmaları programında tamamlayan Hüseyin Yılmaz doktora çalışması süresince erken modern Orta Doğunun kültür ve düşünce tarihi üzerinde yoğunlaşmıştır. 2005-2008 arasında Stanford Üniversitesi Beşeri Bilimlere Giriş Programında doktora sonrası araştırmacı olarak bulunmuştur. Araştırma konuları arasında Osmanlı dönemi anayasalcılık, sosyal stereotipleme, tercüme ve kültürel oluşum, ve İslam ve seküler hukuk arasındaki gerginlik bulunmaktadır. En son çalışması on dokuzuncu yüzyılda Orta Doğunun coğrafi ve kültürel imajını incelemektedir. Halen tasavvufi imgelerin on altıncı yüzyıl Osmanlı hilafetini nasıl belirlediğini inceleyen ve doktora tezine dayanan bir kitap projesi üzerinde çalışmaktadır. Hüseyin Yılmaz halen Stanford Üniversitesinde yardımcı doçent olarak ders vermektedir.