Hillis je rođen u Pasadeni u Kaliforniji, a diplomirao je zoologiju na kalifornijskom sveučilištu Berkeley 1945. Zatim je služio u mornarici Sjedinjenih Država od 1945. do 1947. Nakon služenja vojnog roka vratio se na Berkeley i dobio svoju magistrirao zoologiju 1949. i doktorirao zoologiju 1952. godine.
Nakon što je završio doktorat, Hillis se pridružio fakultetu Sveučilišta u Oregonu, gdje je ostao do kraja svoje karijere. Bio je profesor biologije na Oregonu od 1953. do 1993., a obnašao je dužnost pročelnika Odsjeka za biologiju od 1971. do 1977. godine.
Hillisovo istraživanje usmjereno je na razvoj Drosophile, te je došao do nekoliko važnih otkrića na tom polju. Bio je jedan od prvih istraživača koji je upotrijebio elektronsku mikroskopiju za proučavanje razvoja embrija Drosophile i pomogao je u razvoju novih tehnika za bojenje i rezanje embrija Drosophile.
Hillis je također napisao nekoliko knjiga i članaka o razvojnoj biologiji, uključujući udžbenik "Razvojna biologija insekata" (1972.). Bio je član Nacionalne akademije znanosti i Američke akademije znanosti i umjetnosti. Također je bio član Američke udruge za napredak znanosti i Društva za razvojnu biologiju.
Hillis je umro od raka u Eugeneu, Oregon, 1999. Imao je 75 godina.