מרצה בכיר בספרות עברית וכללית במחצית שנות ה-60 הוזמן הלל לחזור לאוניברסיטת בר-אילן כמרצה בכיר בספרות עברית וכללית. בשנת 1971 הועלה לדרגת פרופסור חבר באוניברסיטת בר-אילן ובהמשך הועלה לדרגת פרופ' מן המניין.
הוא היה פרופסור לספרות עם ישראל ולספרות משווה באוניברסיטת בר-אילן בין השנים 1965-2002 וכן לימד באוניברסיטת תל אביב, אוניברסיטת חיפה והטכניון בחיפה ובמכללות להכשרת מורים.
לאורך השנים לצד היותו מרצה עסק בחקר השירה העברית, הסיפורת והמחזאות. הוא חיבר למעלה מ-30 ספרי מחקר שהרימו תרומה חשובה ביותר לחקר הספרות העברית. גולת הכותרת של פעילותו המחקרית היא הסדרה "תולדות השירה העברית מִדור חיבת ציון ועד ימינו". בסדרה זו ראו אור כעשרה כרכים עבי כרס.
חתן פרס ביאליק לחוכמת ישראל בשנת 1985 הוענק לו פרס ביאליק לחוכמת ישראל. בשנת 1998 הוענק לו התואר "יקיר תל אביב". ב-2014 הוענק לו פרס רמת-גן למפעל חיים. בנימוקי ועדת השופטים נכתב: פרופ' הלל ברזל מאוניברסיטת בר-אילן ברמת-גן הוא מחוקריה החשובים של הספרות העברית בכלל, ושל השירה העברית החדשה בפרט. הוא חיבר ספרים רבים שהרימו תרומה חשובה ביותר לחקר הספרות העברית. גולת הכותרת של פעילותו המחקרית היא הסדרה "תולדות השירה העברית מִדור חיבת ציון ועד ימינו", הרואה אור, כרך אחר כרך, בהוצאת ספריית פועלים. בסדרה זו ראו אור כבר עשרה כרכים עבי כרס.
פרופ' ברזל עסק כל השנים גם בדרמה העברית, בקשר שבין ספרות לתנ"ך, בפרשנות עגנון וקפקא. פרופ' הלל ברזל הוא גם המחבר של הטרילוגיה "המאה החצויה - ממודרניזם לפוסט-מודרניזם, הספרות ורוח התקופה". ספרי מחקר נוספים שכתב: תנועת הנוער: קורותיה בעמים ובישראל, בין עגנון לקפקא: מחקר משוה (1972),משוררים על שירה (1970),סיפורי אהבה של שמואל יוסף עגנון - עיוני מחקר (1975) משוררים בגדולתם: מסות מחקר על משוררים עבריים (1979) אמיר גלבוע: מונוגרפיה (1984)
חיים נחמן ביאליק, שמואל יוסף עגנון: מחקר ופירוש (יחדיו, 1986) ועוד.
"ידע פנומנלי מורה נפלא" במרוצת שנות עבודתו הברוכה העמיד פרופ' ברזל דורות של תלמידים. בין תלמידיו חוקרת הספרות פרופ' תמר (תמי) וולף מונזון פרופסור מן המניין באוניברסיטת בר-אילן. היא מספרת: "לצד היותו חוקר מובהק של הספרות העברית, פרופ' ברזל היה מורה נפלא. מורה בכל רמ"ח אבריו. ברזל היה המרצה הראשון שפגשתי כשהגעתי לאוניברסיטת בר-אילן, כעתודאית בת 18. זכיתי ללמוד אצל פרופ' ברזל כבר בשנת לימודי הראשונה באוניברסיטה.
לצד ההלם, הקושי והאתגר, אני זוכרת היטב את חווית ההשתאות שלי מהידע הפנומנלי שלו, מרוחב היריעה העצום, ולצידם - גם מהעין הטובה שלו ומסבר הפנים הנעים, מהפְּניות שלו לכל סטודנט שישב בקורס, מהסבלנות הרבה בה ענה תמיד לשאלות. השיעורים שלו היו סדורים ושיטתיים לתלפיות, חוויה אינטלקטואלית צרופה, ופתוחים לתיאוריות חדשות ולגישות עדכניות. הוא היווה עבורי דגם מופת למרצה באוניברסיטה - שכדאי ללמוד אצלו וממנו".
לפני יותר משנה בנובמבר 2020 נפטרה רעייתו של פרופי ברזל העיתונאית והמשוררת בינה ברזל. השניים הם היו נשואים זה לזו קרוב ל-70 שנה. אהבתו לבינה הייתה עצומה תמיד דאג לה והיא דאגה לו. פרופ' הלל ברזל הובא למנוחות (11.2.22) בבית קברות ירקון לצידה של רעייתו האהובה בינה. הותיר אחריו שתי בנות: שרי אילן ועתליה רובין, נכדים ונינים.
