Hillis urodził się w Pasadenie w Kalifornii, a tytuł licencjata z zoologii uzyskał na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley w 1945 r. Następnie służył w Marynarce Wojennej Stanów Zjednoczonych w latach 1945–1947. Po odbyciu służby wojskowej wrócił do Berkeley i otrzymał dyplom uzyskał tytuł magistra zoologii w 1949 r., a doktorat z zoologii w 1952 r.
Po uzyskaniu doktoratu Hillis dołączył do wydziału Uniwersytetu w Oregonie, gdzie pozostał do końca swojej kariery. Był profesorem biologii w Oregonie od 1953 do 1993, a od 1971 do 1977 pełnił funkcję kierownika Wydziału Biologii.
Badania Hillisa skupiały się na rozwoju Drosophila i dokonał kilku ważnych odkryć w tej dziedzinie. Był jednym z pierwszych badaczy, którzy wykorzystali mikroskopię elektronową do badania rozwoju zarodków Drosophila i pomógł opracować nowe techniki barwienia i dzielenia zarodków Drosophila.
Hillis napisał także kilka książek i artykułów na temat biologii rozwoju, w tym podręcznik „Biologia rozwojowa owadów” (1972). Był członkiem Narodowej Akademii Nauk i Amerykańskiej Akademii Sztuki i Nauki. Był także członkiem Amerykańskiego Stowarzyszenia Postępu Nauki i Towarzystwa Biologii Rozwojowej.
Hillis zmarł na raka w Eugene w stanie Oregon w 1999 roku. Miał 75 lat.