Разобрался самостоятельно.
TL;DR
Так (если нужны ленивые вычисления):
IEnumerable<Vector3Int> GetNeighbours(Vector3Int cell){
var yEven = cell.y % 2 == 0;
yield return cell + new Vector3Int(+1, +0, 0); //горизонтальный правый
yield return cell + new Vector3Int(-1, +0, 0); //горизонтальный левый
yield return cell + new Vector3Int(+0, +1, 0); //диагональный верхний (для чётного ряда - правый, для нечётного - левый)
yield return cell + new Vector3Int(+0, -1, 0); //диагональный нижний (для чётного ряда - правый, для нечётного - левый)
yield return cell + yEven
? new Vector3Int(-1, +1, 0) //чётный ряд, диагональный верхний левый
: new Vector3Int(+1, +1, 0); //нечётный ряд, диагональный верхний правый
yield return cell + yEven
? new Vector3Int(-1, -1, 0) //чётный ряд, диагональный нижний левый
: new Vector3Int(+1, -1, 0); //нечётный ряд, диагональный нижний правый
}
Или, например, так (если нужен, например, массив):
Vector3Int[] GetNeighbours(Vector3Int cell) => new [] {
cell + new Vector3Int(+1, +0, 0),
cell + new Vector3Int(+0, +1, 0),
cell + new Vector3Int(-1, +0, 0),
cell + new Vector3Int(+0, -1, 0),
cell + cell.y % 2 == 0 ? new Vector3Int(-1, +1, 0) : new Vector3Int(+1, +1, 0),
cell + cell.y % 2 == 0 ? new Vector3Int(-1, -1, 0) : new Vector3Int(+1, -1, 0)
};
Что тут происходит?
Дело не в Unity и не в Tilemap, дело в принципе в использовании прямоугольных координатах для гексагональной сетки. В обычной сетке ячейки расположены так:

В гексагональной (которая тоже прямоугольная, но хорошо маскируется) так:

Т.е., нечётные ряды там смещены вправо так, чтобы каждая ячейка имела не больше шести соседей. Соседи по оси X (горизонтальные) всегда будут вычисляться одинаково, т.к. они находятся в том же ряду. Соседи по Y (диагональные) для разных рядов вычисляются по разному. поскольку ряды смещены друг относительно друга в разные стороны.