Hillis sa narodil v Pasadene v Kalifornii a bakalársky titul zo zoológie získal na Kalifornskej univerzite v Berkeley v roku 1945. Potom slúžil v námorníctve Spojených štátov v rokoch 1945 až 1947. Po vojenskej službe sa vrátil do Berkeley a získal titul magisterský titul zo zoológie v roku 1949 a doktorát zo zoológie v roku 1952.
Po ukončení doktorátu Hillis nastúpil na fakultu Oregonskej univerzity, kde zostal po zvyšok svojej kariéry. V rokoch 1953 až 1993 bol profesorom biológie v Oregone a v rokoch 1971 až 1977 pôsobil ako vedúci katedry biológie.
Hillisov výskum sa zameral na vývoj Drosophila a v tejto oblasti urobil niekoľko dôležitých objavov. Bol jedným z prvých výskumníkov, ktorí použili elektrónovú mikroskopiu na štúdium vývoja embryí Drosophila a pomohol vyvinúť nové techniky farbenia a delenia embryí Drosophila.
Hillis tiež napísal niekoľko kníh a článkov o vývojovej biológii, vrátane učebnice „Vývojová biológia hmyzu“ (1972). Bol členom Národnej akadémie vied a Americkej akadémie umení a vied. Bol tiež členom Americkej asociácie pre pokrok vedy a Spoločnosti pre vývojovú biológiu.
Hillis zomrel na rakovinu v Eugene v Oregone v roku 1999. Mal 75 rokov.