Hillis nació en Pasadena, California, y recibió su licenciatura en zoología de la Universidad de California, Berkeley en 1945. Luego sirvió en la Marina de los Estados Unidos de 1945 a 1947. Después de su servicio militar, regresó a Berkeley y recibió su Maestría en zoología en 1949 y doctorado en zoología en 1952.
Después de completar su doctorado, Hillis se unió a la facultad de la Universidad de Oregon, donde permaneció por el resto de su carrera. Fue profesor de biología en Oregón de 1953 a 1993 y se desempeñó como jefe del Departamento de Biología de 1971 a 1977.
La investigación de Hillis se centró en el desarrollo de Drosophila e hizo varios descubrimientos importantes en este campo. Fue uno de los primeros investigadores en utilizar la microscopía electrónica para estudiar el desarrollo de embriones de Drosophila y ayudó a desarrollar nuevas técnicas para teñir y seccionar embriones de Drosophila.
Hillis también escribió varios libros y artículos sobre biología del desarrollo, incluido el libro de texto "Developmental Biology of Insects" (1972). Fue miembro de la Academia Nacional de Ciencias y de la Academia Estadounidense de Artes y Ciencias. También fue miembro de la Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia y de la Sociedad de Biología del Desarrollo.
Hillis murió de cáncer en Eugene, Oregon, en 1999. Tenía 75 años.