Hillis syntyi Pasadenassa Kaliforniassa ja suoritti eläintieteen kandidaatin tutkinnon Kalifornian yliopistosta Berkeleyssä vuonna 1945. Tämän jälkeen hän palveli Yhdysvaltain laivastossa vuosina 1945–1947. Asepalveluksensa jälkeen hän palasi Berkeleyyn ja sai tutkinnon. eläintieteen maisterin tutkinto 1949 ja eläintieteen tohtori vuonna 1952.
Suoritettuaan tohtorintutkinnon Hillis liittyi Oregonin yliopiston tiedekuntaan, jossa hän pysyi uransa ajan. Hän oli biologian professori Oregonissa vuosina 1953–1993, ja hän toimi biologian laitoksen johtajana vuosina 1971–1977.
Hillisin tutkimus keskittyi Drosophilan kehitykseen, ja hän teki useita tärkeitä löytöjä tällä alalla. Hän oli yksi ensimmäisistä tutkijoista, joka käytti elektronimikroskopiaa Drosophila-alkioiden kehityksen tutkimiseen, ja hän auttoi kehittämään uusia tekniikoita Drosophila-alkioiden värjäämiseen ja leikkaamiseen.
Hillis kirjoitti myös useita kirjoja ja artikkeleita kehitysbiologiasta, mukaan lukien oppikirjan "Developmental Biology of Insects" (1972). Hän oli National Academy of Sciences ja American Academy of Arts and Sciences -akatemian jäsen. Hän oli myös American Association for the Advancement of Science ja Society for Developmental Biology jäsen.
Hillis kuoli syöpään Eugenessa Oregonissa vuonna 1999. Hän oli 75-vuotias.