Hillis se je rodil v Pasadeni v Kaliforniji in leta 1945 diplomiral iz zoologije na kalifornijski univerzi v Berkeleyju. Nato je od leta 1945 do 1947 služil v mornarici Združenih držav Amerike. Po služenju vojaškega roka se je vrnil na Berkeley in prejel 1949 magistriral iz zoologije in 1952 doktoriral iz zoologije.
Po doktoratu se je Hillis pridružil fakulteti Univerze v Oregonu, kjer je ostal do konca svoje kariere. Od leta 1953 do 1993 je bil profesor biologije na Oregonu, od leta 1971 do 1977 pa je bil predstojnik Oddelka za biologijo.
Hillisova raziskava se je osredotočila na razvoj Drosophile in na tem področju je naredil več pomembnih odkritij. Bil je eden prvih raziskovalcev, ki je uporabil elektronsko mikroskopijo za preučevanje razvoja zarodkov Drosophila, in pomagal je razviti nove tehnike za barvanje in rezanje zarodkov Drosophila.
Hillis je napisal tudi več knjig in člankov o razvojni biologiji, vključno z učbenikom "Razvojna biologija žuželk" (1972). Bil je član Nacionalne akademije znanosti in Ameriške akademije znanosti in umetnosti. Bil je tudi član Ameriškega združenja za napredek znanosti in Društva za razvojno biologijo.
Hillis je leta 1999 umrl zaradi raka v Eugenu v Oregonu. Star je bil 75 let.