Stephen Hillenburg dilahirkan di pos United States Army Fort Sill di Lawton, Oklahoma pada 21 Agustus 1961. Ayahnya adalah draftsman dan desainer untuk perusahaan dirgantara aerospace—termasuk McDonnell Douglas dan Rockwell Collins—dan telah berkontribusi pada Program Apollo. Ibunya mengajari murid yang memiliki gangguan pengelihatan. Hillenburg berkata bahwa dia mendapat kemampuan seni dari sisi maternal, dan memberitahu bahwa neneknya "sangat, sangat berbakat" dan seorang "pelukis hebat." Adiknya mengikuti jejak ayah mereka, dan menjadi draftsman dan desainer. Dengan keluarganya, Hillenburg pindah ke Orange County, California pada 1962, ketika dia masih setahun. Dia tumbuh di Anaheim, California, dimana dia mendapat edukasi sekunder di Savanna High School. Hillenburg merupakan pecandu band di sekolah tinggi, memainkan terompet.Kegemaran Hillenburg pada kehidupan laut sudah tumbuh sejak kecil, ketika dia menonton beberapa film yang dibuat oleh ahli laut Prancis Jacques Cousteau. Ketika di perpustakaan pada 1970-an, dia melihat gambar hitam putih tentang menyelam, dan dia "sangat terbenam." Ketika berumur 15, dia snorkeling untuk pertama kali di Laguna Beach dan melihat "semua berwarna"; pengalaman itu mendorong keputusannya untuk mempelajari kehidupan laut ketika kuliah. Beberapa tahun setelah lulus Humboldt State University, dia mendapat gelar sarjana dalam interpretasi dan perencanaan sumber daya laut pada 1984. Ketika di Humboldt, dia mendapat pelajaran seni tambahan, dan membuat barang pameran di museum. Hillenburg berkata "Saya berkembang menjadi pelukis di Humboldt."
Setelah menikmati seni, dia mengikuti program magister dalam animasi eksperimental di California Institute of the Arts (CalArts) pada 1992. Hillenburg berkata "Awalnya saya pikir saya berasumsi bahwa jika saya pergi ke sekolah untuk seni saya tidak akan pernah memiliki cara untuk mencari nafkah, jadi saya pikir mungkin lebih cerdas untuk menjaga gairah dan hobi seni hobi saya dan belajar sesuatu yang lain. Tapi pada saat aku sampai di akhir pekerjaan mahasiswa sarjana saya, saya menyadari bahwa saya harus ikut seni." Dia memberitahu pada 1970-an, ketika masih kanak-kanak, dia dibawa ke festival International Tournée of Animation di Los Angeles County Museum of Art, dan bertemu animator Belanda Paul Driessen dengan kartun The Killing of An Eggnya.
Hillenburg berkata bahwa "Itu adalah film yang saya pikir secara unik aneh dan yang bersarang di kepala saya dengan sendirinya sejak dini. Saya tertarik untuk merancang seluruh hidup saya. Aku tak tahu-itu tidak membantu saya sampai kemudian, ketika saya menemukan kembali Driessen." Dia lulus dari institut pada 1993, mendapat gelar Master of Fine Arts dalam animasi eksperimental. Hillenburg mengerjakan The SpongeBob Movie: Sponge Out of Water, sekuel dari film 2004, sebagai produser eksekutif dan penulis cerita dan dirilis pada 13 Februari 2015 oleh Paramount Pictures. Hillenburg meninggal dunia pada 26 November 2018 akibat komplikasi dari sklerosis lateral amiotrofik.
