Hillis, Pasadena, California'da doğdu ve 1945'te Berkeley'deki California Üniversitesi'nden zooloji alanında lisans derecesini aldı. Daha sonra 1945'ten 1947'ye kadar Amerika Birleşik Devletleri Donanması'nda görev yaptı. Askerlik hizmetinin ardından Berkeley'e döndü ve ünvanını aldı. 1949'da zooloji alanında yüksek lisans, 1952'de ise zooloji alanında doktora derecesi aldı.
Hillis, doktorasını tamamladıktan sonra Oregon Üniversitesi'nin öğretim kadrosuna katıldı ve kariyerinin geri kalanında burada kaldı. 1953'ten 1993'e kadar Oregon'da biyoloji profesörüydü ve 1971'den 1977'ye kadar Biyoloji Bölüm Başkanı olarak görev yaptı.
Hillis'in araştırması Drosophila'nın gelişimine odaklandı ve bu alanda birçok önemli keşifte bulundu. Drosophila embriyolarının gelişimini incelemek için elektron mikroskobu kullanan ilk araştırmacılardan biriydi ve Drosophila embriyolarının boyanması ve kesitlere ayrılması için yeni tekniklerin geliştirilmesine yardımcı oldu.
Hillis ayrıca "Böceklerin Gelişimsel Biyolojisi" (1972) ders kitabı da dahil olmak üzere gelişimsel biyoloji üzerine birçok kitap ve makale yazdı. Ulusal Bilimler Akademisi ve Amerikan Sanat ve Bilim Akademisi üyesiydi. Aynı zamanda Amerikan Bilimi İlerletme Derneği ve Gelişim Biyolojisi Derneği'nin üyesiydi.
Hillis, 1999 yılında Eugene, Oregon'da kanserden öldü. 75 yaşındaydı.