Hillis se narodil v Pasadeně v Kalifornii a bakalářský titul ze zoologie získal na Kalifornské univerzitě v Berkeley v roce 1945. Poté sloužil v námořnictvu Spojených států v letech 1945 až 1947. Po vojenské službě se vrátil do Berkeley a získal titul magisterský titul ze zoologie v roce 1949 a doktorát ze zoologie v roce 1952.
Po dokončení doktorátu Hillis nastoupil na fakultu Oregonské univerzity, kde zůstal po zbytek své kariéry. Byl profesorem biologie v Oregonu od roku 1953 do roku 1993 a sloužil jako vedoucí katedry biologie od roku 1971 do roku 1977.
Hillisův výzkum se zaměřil na vývoj Drosophila a v této oblasti učinil několik důležitých objevů. Byl jedním z prvních výzkumníků, kteří použili elektronovou mikroskopii ke studiu vývoje embryí Drosophila, a pomohl vyvinout nové techniky pro barvení a řezání embryí Drosophila.
Hillis také napsal několik knih a článků o vývojové biologii, včetně učebnice „Developmental Biology of Insects“ (1972). Byl členem Národní akademie věd a Americké akademie umění a věd. Byl také členem American Association for the Advancement of Science a Society for Developmental Biology.
Hillis zemřel na rakovinu v Eugene ve státě Oregon v roce 1999. Bylo mu 75 let.