Hillis blev født i Pasadena, Californien, og modtog sin bachelorgrad i zoologi fra University of California, Berkeley i 1945. Derefter tjente han i den amerikanske flåde fra 1945 til 1947. Efter sin militærtjeneste vendte han tilbage til Berkeley og modtog sin kandidatgrad i zoologi i 1949 og hans doktorgrad i zoologi i 1952.
Efter at have afsluttet sin doktorgrad sluttede Hillis sig til fakultetet ved University of Oregon, hvor han forblev resten af sin karriere. Han var professor i biologi ved Oregon fra 1953 til 1993, og han fungerede som leder af Institut for Biologi fra 1971 til 1977.
Hillis' forskning fokuserede på udviklingen af Drosophila, og han gjorde flere vigtige opdagelser på dette område. Han var en af de første forskere, der brugte elektronmikroskopi til at studere udviklingen af Drosophila embryoner, og han hjalp med at udvikle nye teknikker til farvning og sektionering af Drosophila embryoner.
Hillis skrev også flere bøger og artikler om udviklingsbiologi, herunder lærebogen "Developmental Biology of Insects" (1972). Han var medlem af National Academy of Sciences og American Academy of Arts and Sciences. Han var også medlem af American Association for the Advancement of Science og Society for Developmental Biology.
Hillis døde af kræft i Eugene, Oregon, i 1999. Han var 75 år gammel.