Successivamente riuscì a completare gli studi nel 1941 presso il Montana State University, sostenuto dal fratello e da alcune borse di studio per via delle ristrettezze economiche in cui versava la famiglia. Vinse poi una borsa di studio per conseguire il dottorato in microbiologia all'Università di Chicago nel 1944. Nella sua tesi riguardante le infezioni da clamidia, Hillman riuscì a dimostrare che erano causate da un batterio, la Chlamydia trachomatis, che cresce solo all'interno delle cellule, in un periodo in cui si pensava fosse responsabilità di un virus.