Jeune garçon, James Hillier prévoyait devenir graphiste. Mais il lui est advenu d'avoir un don pour les mathématiques et la physique et il s'est vu octroyer une bourse d'études en sciences à l'Université de Toronto. C'est à cet endroit, avec un autre étudiant nommé Albert Prebus, qu'il a inventé le premier microscope à électrons fonctionnel.

Les microscopes à électrons fonctionnent en concentrant un faisceau d'électrons plutôt qu'un faisceau lumineux. La longueur d'ondes des électrons est beaucoup plus courte que celle de la lumière, ce qui permet d'augmenter le grossissement et la profondeur du point focal. En 1938, Hillier et Prebus ont mis au point un microscope qui fonctionnait en faisant passer un faisceau d'électrons à travers un échantillon soigneusement préparé. Le faisceau était ensuite concentré sur une plaque photographique. Leur appareil grossissait les objets jusqu'à 7000 fois leurs dimensions réelles, tandis que les microscopes optiques ne produisaient qu'un grossissement de 2000 fois. Quelques années plus tard, Hillier et deux autres physiciens ont conçu ce qui fut sans aucun doute le premier microscope à balayage à électrons. Il fonctionnait en balayant l'objet avec un faisceau d'électrons afin de produire une image similaire à celle d'un écran de télévision.

Lorsqu'il a pris sa retraite, il s'est dévoué à la promotion de l'éducation scientifique. Parce qu'il n'aurait jamais pu fréquenter l'université sans obtenir de bourse, il a mis sur pied la James Hillier Foundation, qui octroie des bourses d'études aux élèves prometteurs en sciences de sa ville natale. Son travail lui a amené plusieurs honneurs, notamment l'Ordre du Canada