Hilleman ble født på en gård på Montanas utenfor Miles City. Hans foreldre var Anna (Uelsmann) og Gustav Hillemann, og han var deres åttende barn. Hans tvillingsøster døde ved fødselen, og moren døde to dager etter. Han ble oppdratt nær ved hos sin onkel Robert Hilleman, og arbeidet på familiegården i ungdommen. Han tilskrev mye av sin fremgang senere med sitt arbeid med kyllinger i barndommen; siden 1930-årene hadde befruktede hønseegg ofte blitt benyttet for å dyrke virus for vaksiner.