Hillis a kaliforniai Pasadenában született, majd 1945-ben a Kaliforniai Egyetemen (Berkeley) szerzett zoológiából főiskolai diplomát. 1945 és 1947 között az Egyesült Államok haditengerészeténél szolgált. Katonai szolgálata után visszatért Berkeley-be, és megkapta a diplomáját. 1949-ben zoológiai mesterfokozatot, 1952-ben zoológiából doktorált.
A doktori fokozat megszerzése után Hillis csatlakozott az Oregoni Egyetem karához, ahol karrierje hátralévő részében maradt. 1953 és 1993 között az Oregon biológia professzora volt, 1971 és 1977 között a Biológiai Tanszék vezetője volt.
Hillis kutatásai a Drosophila fejlődésére összpontosítottak, és számos fontos felfedezést tett ezen a területen. Ő volt az egyik első kutató, aki elektronmikroszkóppal vizsgálta a Drosophila embriók fejlődését, és segített új technikák kidolgozásában a Drosophila embriók festésére és metszésére.
Hillis számos könyvet és cikket írt a fejlődésbiológiáról, köztük a "Rovarok fejlődésbiológiája" (1972) című tankönyvet. Tagja volt a Nemzeti Tudományos Akadémiának és az Amerikai Művészeti és Tudományos Akadémiának. Tagja volt az Amerikai Tudományfejlesztési Szövetségnek és a Fejlődésbiológiai Társaságnak is.
Hillis rákban halt meg Eugene-ben, Oregon államban, 1999-ben. 75 éves volt.