Hilleman nacque in una fattoria vicino alla città di Miles City nel Montana, nella zona delle grandi pianure, ottavo figlio di Gustav Hilleman e Anna Uelsmann che morirà pochi giorni dopo il parto. In gioventù contribuì nel portare avanti la fattoria di famiglia, cresciuto principalmente dalla zio Robert Hilleman. In seguito affermerà che proprio a queste sue origini si devono buona parte del suo successo nella ricerca, in particolare grazie al lavoro con i polli. Bisogna sapere, infatti, che dagli anni '30 le uova di gallina fertili erano state spesso utilizzate per coltivare virus per i vaccini.