Familien tilhørte Lutheran Church–Missouri Synod. Da han var i åttende klasse oppdaget han Charles Darwin og ble knepet i kirken der han satt og leste . Senere vendte han religionen ryggen. Pengemangle satte nesten stans for skolegangen. Hans eldre bror grep inn og Hilleman fikk tatt college og deretter med hjelp fra stipender og slektninger studert ved Montana State University. Han fikk stipend til University of Chicago og tok doktorgrad i mikrobiologi i 1944. Hans doktorarbeide var om chlamydiasmitte, som man den gang mente var forårsaket av virus. Senere ble det klart at årsaken var bakteriell.