Hillis è nato a Pasadena, in California, e ha conseguito la laurea in zoologia presso l'Università della California, Berkeley nel 1945. Ha poi prestato servizio nella Marina degli Stati Uniti dal 1945 al 1947. Dopo il servizio militare, è tornato a Berkeley e ha ricevuto il suo brevetto. master in zoologia nel 1949 e dottorato in zoologia nel 1952.
Dopo aver completato il dottorato, Hillis si unì alla facoltà dell'Università dell'Oregon, dove rimase per il resto della sua carriera. Fu professore di biologia all'Oregon dal 1953 al 1993 e prestò servizio come capo del Dipartimento di Biologia dal 1971 al 1977.
La ricerca di Hillis si concentrò sullo sviluppo della Drosophila e fece diverse importanti scoperte in questo campo. È stato uno dei primi ricercatori a utilizzare la microscopia elettronica per studiare lo sviluppo degli embrioni di Drosophila e ha contribuito a sviluppare nuove tecniche per colorare e sezionare gli embrioni di Drosophila.
Hillis ha anche scritto diversi libri e articoli sulla biologia dello sviluppo, incluso il libro di testo "Developmental Biology of Insects" (1972). Era un membro della National Academy of Sciences e dell'American Academy of Arts and Sciences. È stato anche membro dell'American Association for the Advancement of Science e della Society for Developmental Biology.
Hillis morì di cancro a Eugene, Oregon, nel 1999. Aveva 75 anni.