Hillis est né à Pasadena, en Californie, et a obtenu son baccalauréat en zoologie de l'Université de Californie à Berkeley en 1945. Il a ensuite servi dans la marine américaine de 1945 à 1947. Après son service militaire, il est retourné à Berkeley et a reçu son maîtrise en zoologie en 1949 et doctorat en zoologie en 1952.
Après avoir terminé son doctorat, Hillis a rejoint la faculté de l'Université de l'Oregon, où il est resté pour le reste de sa carrière. Il a été professeur de biologie à l'Oregon de 1953 à 1993 et a dirigé le département de biologie de 1971 à 1977.
Les recherches de Hillis se sont concentrées sur le développement de la drosophile et il a fait plusieurs découvertes importantes dans ce domaine. Il a été l’un des premiers chercheurs à utiliser la microscopie électronique pour étudier le développement des embryons de drosophile, et il a contribué au développement de nouvelles techniques de coloration et de sectionnement des embryons de drosophile.
Hillis a également écrit plusieurs livres et articles sur la biologie du développement, dont le manuel « Developmental Biology of Insects » (1972). Il était membre de la National Academy of Sciences et de l'American Academy of Arts and Sciences. Il était également membre de l'Association américaine pour l'avancement de la science et de la Society for Developmental Biology.
Hillis est décédé d'un cancer à Eugene, Oregon, en 1999. Il avait 75 ans.