Stephen Hillenburg estudió en Anheim pero ingresó en la universidad Humboldt State de California para estudiar biología, especializándose en explotación de recursos marinos. Al poco, ya estaba dando clases de biología marina en el Orange County Marine Institute. No obstante, también era un apasionado de la animación y a los tres años decidió que quería dedicarse a ese oficio. Comenzó a realizar cortometrajes mientras cursaba un máster en animación, que logró en 1992, en el California Institute of the Arts, con un trabajo de fin de carrera titulado Wormholes, el cual fue premiado en varios festivales aquel mismo año.
Hillenburg participó en la serie de televisión Mothers Goose Grimm mientras estudiaba, entre 1991 y 1993, lo que le valió para ser luego contratado en otra serie de mayor peso, dado que estaba ligada a la productora Nickelodeon: Rocko's Modern Life, en la que trabajó entre 1993 y 1996 como guionista y director creativo. En esos estudios comenzaría a dar forma a una idea propia, una serie protagonizada por animales que viven en el fondo del mar que se fundamentaba en un cómic que él mismo había realizado en los ochenta, titulado The Intertidal Zone. Durante 1997 elaboro el capítulo piloto de la nueva serie y lo presentó en 1998, protagonizado por un “chico esponja marina” que sedujo inmediatamente a los productores. La serie, titulada finalmente SpongeBob SquarePants, se estrenó el 1 de mayo del 1999 y fue un éxito mientras se mantuvo en antena con guiones de Hillenburg (en 2004 se hizo cargo de los mismos Paul Tibbit, aportando otros elementos, pero mermando la calidad general a juicio de la crítica).
La popularidad del personaje fue tal que eso permitió la producción de un largometraje animado que Hillenburg planeó como final de la serie, The SpongeBob SquarePants Movie, de 2004. Fue tan aclamada por público y crítica que Nickelodeon quiso seguir exprimiendo al personaje, pero ya con su creador fuera de la escritura de guiones, aunque regresó en 2015 para formar parte del equipo de guionistas de la continuación del filme: The SpongeBob Movie: Sponge Out of Water. Con el tiempo, la serie del chico esponja ganó dos premios Emmy, seis Annie y el Television Animation Award que concede la National Cartoonists Society.
Hillenburg también participó en otros proyectos: creó la compañía United Plankton Pictures (para explotar a su personaje) y colaboró en la fundación del laboratorio Humboldt State University Marine. Desde 2011 supervisó los cómics inspirados en la serie de animación submarina para los cuales reclamó la participación de autores como James Kochalka, Hilary Barta, Graham Annable, Gregg Schigiel o Jacob Chabot.