Hillis ble født i Pasadena, California, og mottok sin bachelorgrad i zoologi fra University of California, Berkeley i 1945. Deretter tjenestegjorde han i den amerikanske marinen fra 1945 til 1947. Etter militærtjenesten vendte han tilbake til Berkeley og mottok sin mastergrad i zoologi i 1949 og doktorgrad i zoologi i 1952.
Etter å ha fullført doktorgraden, begynte Hillis på fakultetet ved University of Oregon, hvor han ble værende resten av karrieren. Han var professor i biologi ved Oregon fra 1953 til 1993, og han fungerte som leder for Institutt for biologi fra 1971 til 1977.
Hillis forskning fokuserte på utviklingen av Drosophila, og han gjorde flere viktige funn på dette feltet. Han var en av de første forskerne som brukte elektronmikroskopi for å studere utviklingen av Drosophila-embryoer, og han var med på å utvikle nye teknikker for farging og seksjonering av Drosophila-embryoer.
Hillis skrev også flere bøker og artikler om utviklingsbiologi, inkludert læreboken "Developmental Biology of Insects" (1972). Han var medlem av National Academy of Sciences og American Academy of Arts and Sciences. Han var også stipendiat i American Association for the Advancement of Science og Society for Developmental Biology.
Hillis døde av kreft i Eugene, Oregon, i 1999. Han var 75 år gammel.