Hillis föddes i Pasadena, Kalifornien, och tog sin kandidatexamen i zoologi från University of California, Berkeley 1945. Därefter tjänstgjorde han i den amerikanska flottan från 1945 till 1947. Efter sin militärtjänst återvände han till Berkeley och fick sin magisterexamen i zoologi 1949 och doktorsexamen i zoologi 1952.
Efter att ha avslutat sin doktorsexamen började Hillis på fakulteten vid University of Oregon, där han stannade under resten av sin karriär. Han var professor i biologi vid Oregon från 1953 till 1993, och han tjänstgjorde som chef för Institutionen för biologi från 1971 till 1977.
Hillis forskning fokuserade på utvecklingen av Drosophila, och han gjorde flera viktiga upptäckter inom detta område. Han var en av de första forskarna som använde elektronmikroskopi för att studera utvecklingen av Drosophila-embryon, och han hjälpte till att utveckla nya tekniker för färgning och sektionering av Drosophila-embryon.
Hillis skrev också flera böcker och artiklar om utvecklingsbiologi, inklusive läroboken "Developmental Biology of Insects" (1972). Han var medlem av National Academy of Sciences och American Academy of Arts and Sciences. Han var också medlem i American Association for the Advancement of Science och Society for Developmental Biology.
Hillis dog av cancer i Eugene, Oregon, 1999. Han var 75 år gammal.