Po wojnie był jednym z kierowników budowy Kolei Zakaspijskiej, jako kierownik tej linii kolejowej (1880–1882), a następnie kierownik sekcji mechanicznej (1885–1887). W latach 1887–1889 był zastępcą kierownika budowy samarkandzkiego odcinka tejże kolei, następnie jej odcinka głównego. W latach 1882–1885 przebywał w Księstwie Bułgarii, gdzie tymczasowo zarządzał ministerstwem robót publicznych, transportu, handlu i rolnictwa.
W latach 1892–1893 był naczelnikiem Kolei Orłowsko-Griazowskiej, w 1893 r. – Kolei Samarsko-Złatoustowskiej. Następnie w latach 1893–1895 piastował funkcję głównego inspektora państwowych kolei. r. objął stanowisko ministra transportu Imperium Rosyjskiego.
Pod jego kierownictwem miał miejsce dynamiczny rozwój kolei w Imperium Rosyjskim. Wzniesiono łącznie 25 tys. kilometrów nowych linii kolejowych, w tym główne odcinki Kolei Transsyberyjskiej. Powstały pierwsze regulaminy eksploatacji technicznej kolei, zaś w 1896 r. w Moskwie powstała Moskiewska Szkoła Inżynieryjna (poprzedniczka ). Siergiej Witte w swoich wspomnieniach pozostawił o nim niepochlebną opinię, twierdząc, iż Chiłkow pozostał raczej maszynistą niż ministrem, a kluczowe zadania delegował na swojego zastępcę Piotra Dumitraszkę.