Stephen McDannell Hillenburg lahir pada 21 Agustus 1961 di Fort Sill, Oklahoma, dari pasangan Nancy dan Kelly Hillenburg Jr. Ia dibesarkan di Anaheim, California, di mana ketertarikannya terhadap biologi laut dan seni berkembang sejak kecil. Pada 1984, ia memulai karier sebagai pengajar biologi kelautan di Orange County Marine Institute, menulis komik The Intertidal Zone tentang hewan laut pantai yang digunakan untuk edukasi.

Setelah meninggalkan mengajar, Hillenburg melanjutkan studi di California Institute of the Arts pada 1989 untuk mengejar karier di bidang animasi. Ia sukses membuat film pendek The Green Beret dan Wormholes, dan mendapatkan pekerjaan di serial animasi Nickelodeon Rocko's Modern Life pada 1993. Pada 1994, ia mulai mengembangkan karakter dan konsep untuk sebuah seri baru yang akhirnya dikenal sebagai SpongeBob SquarePants.

Serial ini tayang perdana pada 1999 dan menjadi salah satu acara terpopuler di Amerika. Hillenburg juga menyutradarai The SpongeBob SquarePants Movie (2004), awalnya sebagai penutup seri, namun akhirnya menjadi film yang sangat sukses. Ia kemudian kembali bekerja dalam franchise ini dan terlibat dalam Sponge Out of Water (2015).

Selama kariernya, Hillenburg meraih berbagai penghargaan seperti Emmy dan Annie Awards, serta pengakuan dari Heal the Bay dan National Cartoonists Society atas kontribusinya dalam edukasi tentang kehidupan laut dan animasi televisi. Ia juga terlibat dalam kontroversi terkait interpretasi karakter SpongeBob.

Diagnosa ALS pada 2017 tidak menyurutkan semangatnya dalam berkarya. Ia tetap bekerja hingga akhir hayat dan meninggal dunia pada 26 November 2018 di San Marino, California, di usia 57 tahun. Warisannya tetap hidup melalui karya dan kontribusinya di dunia animasi dan pendidikan kelautan.