Nato nello Stato dell'Indiana, figlio dell'attrice Lydia Knott specializzata in ruoli western, Hillyer frequentò da sempre il mondo del vaudeville. Ma, per un certo periodo, preferì il giornalismo, approdando al cinema all'età di ventinove anni. Dal 1917 in poi, si associò all'attore William S. Hart con cui mise in scena una nutrita serie di film sui cowboy. Il suo genere preferito fu il western, ma talvolta se ne discostò per ottenere ammirevoli risultati quale è il film Il raggio invisibile con Bela Lugosi.