Hillis wurde in Pasadena, Kalifornien, geboren und erhielt 1945 seinen Bachelor-Abschluss in Zoologie von der University of California, Berkeley. Anschließend diente er von 1945 bis 1947 in der United States Navy. Nach seinem Militärdienst kehrte er nach Berkeley zurück und erhielt seinen Militärdienst 1949 erlangte er seinen Masterabschluss in Zoologie und 1952 seinen Doktortitel in Zoologie.
Nach Abschluss seiner Promotion wechselte Hillis an die Fakultät der University of Oregon, wo er für den Rest seiner Karriere blieb. Von 1953 bis 1993 war er Professor für Biologie in Oregon und von 1971 bis 1977 Leiter der Abteilung für Biologie.
Hillis‘ Forschung konzentrierte sich auf die Entwicklung von Drosophila und er machte auf diesem Gebiet mehrere wichtige Entdeckungen. Er war einer der ersten Forscher, der die Entwicklung von Drosophila-Embryonen mithilfe der Elektronenmikroskopie untersuchte, und er half bei der Entwicklung neuer Techniken zum Färben und Schneiden von Drosophila-Embryonen.
Hillis schrieb außerdem mehrere Bücher und Artikel zur Entwicklungsbiologie, darunter das Lehrbuch „Developmental Biology of Insects“ (1972). Er war Mitglied der National Academy of Sciences und der American Academy of Arts and Sciences. Er war außerdem Mitglied der American Association for the Advancement of Science und der Society for Developmental Biology.
Hillis starb 1999 in Eugene, Oregon, an Krebs. Er war 75 Jahre alt.